Явление интерференции электронов можно объяснить

Явление интерференции электронов можно объяснить

Для человека, который понимает – что такое интерференция, и еще не очень хорошо понимает – что такое электрон, словосочетание «интерференция электронов» звучит как «соленый сахар». Так как мы не понимаем пока ни того, ни другого, разберемся для начала с интерференцией. Это просто. Бросим в воду школьный учебник физики. От него во все стороны пойдет волна – равномерные колебания. Теперь изменим опыт: на некотором расстоянии друг от друга бросим в воду не только учебник физики, но еще и учебник химии. От каждого из них пойдут одинаковые волны. Измерения высоты этих волн (то есть амплитуды) покажет, что максимальная высота волны над линией горизонта составит 5 сантиметров. Но что случится, когда эти волны дойдут друг до друга и начнут пересекаться? Если в некоторую точку поверхности воды обе волны придут на своем максимуме, это означает, что их энергия сложится, и если в этом месте будет плавать медуза, она подпрыгнет высоко – на 10 сантиметров. Особенно приятной ей будет так воспарить, когда ее соседка окажется на том месте, где сойдутся минимумы волн – та нырнет аж на 10 сантиметров вместе с «прогнувшейся» в этом месте поверхностью волны. Но все это будет мало трогать третью медузу, которая так выбрала место своего задумчивого пребывания, что максимум одной волны в этой точке совпадет с минимум другой, и в итоге они сложатся и погасят друг друга – медуза не сдвинется с места несмотря на то, что вокруг нее все будет прыгать вверх и вниз!

Посмотри на фотографию: там как раз показано распространение волн от двух источников. Чередование светлых и темных полос – это и есть типичная интерференционная картина. Светлая полоса находится там, где совпали или максимум или минимумы интенсивностей волн – о таком случае говорят, что волны пришли в эту точку в одной фазе. Темная полоска там, где максимум пришелся на минимум и они погасили друг друга – то есть волны пришли в противофазе. Удивительно, да? Свет + свет иногда дает тьму!

Можно поставить интересный опыт. Поставим рядом друг с другом два динамика, из которых «изливается» звук одной и той же высоты (то есть одинаковой частоты звуковой волны, так как именно частота звуковой волны ответственна за высоту звука, который мы слышим). Если мы включим их по очереди, мы услышим этот звук определенной громкости. Если мы включим их одновременно, громкость удвоится. Но если теперь один из динамиков мы начнем приближать к нам, оставив второй на месте, то громкость начнет… ослабевать, пока совсем почти не затухнет – это случится в тот момент, когда максимум одной звуковой волны совпадет с минимумом другой.

Интерференционная картина – характерное свойство волн. И в конце XIX века экспериментаторы обнаружили к своему изумлению, что если сквозь две щели пропускать электроны, а не свет, то на экране мы тоже обнаружим интерференционную картину. Но электроны – не волны! Это частицы, мы точно это знаем. Исходя из наших знаний о том, что электрон – это частица, мы построили уже кучу теорий, провели множество расчетов, вычислений масс, энергий, мы построили уже приборы и эти приборы работают, мы расщепляем ядра и получаем результат, совпадающий с прогнозами. Электрон – точно частица! А значит – не может быть в принципе никакой интерференции. А она есть.

Читайте также:  Как удалить скрытые фото с айфона

Представь себе, что ты стоишь перед бетонной стеной. В ней – две вертикальные узкие щели. Ты стреляешь в нее из автомата. Позади стены – экран. Ты целый день стреляешь в бетон, и как ты думаешь – что ты увидишь, если заглянешь за стену и посмотришь на экран? Совершенно ясно – в экране будут узкие щели-дырки – в тех местах, куда попадали пули, пролетающие сквозь щели в стене. И уж конечно – этих щелей будет тоже ровно две – каждая напротив соответствующей щели в бетонной стене. Это потому что пули – частицы. А если мы сделаем то же самое с электронами, то вместо двух щелей на экране мы увидим множество щелей – типичная интерференционная картина. И это противоречит здравому смыслу.

Но еще не все потеряно. А что если электроны ударяются в края щелей в бетонной стене, разлетаются в стороны… нет, тогда было бы равномерное рассеяние, но никак не четкие ряды освещенных полосок, расположенных через равные промежутки. А что, если электроны друг с другом как-то сталкиваются… чтобы закончить с этим, был проведен удивительнейший эксперимент, и когда ученые его провели, они почувствовали шевеление волос на голове. Они решили стрелять в бетонную стену одиночными электронами при открытых обеих щелях. Выпустили один электрон и посмотрели – а куда он упал? Можно свихнуться, но он упал НЕ напротив щели, а в сторону, туда, где пролегает одна из множества интерференционных полос при двух открытых щелях при массовом обстреле электронами – на экране эти полосы выглядят как освещенные участки. А что если мы… закроем вторую щель и оставим одну? Клёвая идея. Закрыли. Электрон стал падать В ТОЧНОСТИ в одну единственную полоску напротив той, в которую он влетал. То есть он стал вести себя как стопроцентная частица, как пуля. Приоткрыли вторую щель – бац – и снова одиночные электроны перестали ложиться строго за щелями. Он что, каким-то образом «знает» о том, что вторая щель открыта?? Если электрон был бы частицей, он пролетал бы сквозь одну из щелей по той же самой траектории независимо от наличия или отсутствия второй щели.

В дальнейшем ученые столкнулись еще раз с тем, что одну из самых неразрешимых проблем можно решить только в том случае, если мы скажем, что электрон – это волна. И получилось противоречие невозможное. А решилось оно простым выводом: электрон (как и любая другая элементарная частица) – это НЕ частица и НЕ волна. Соломоново решение. И оно безусловно верное. Описание электрона как частицы мы дополнили описанием его, как волны. В этом суть «принципа дополнительности», введенного Нильсом Бором. Элементарная частица – это некоторый непостижимо устроенный объект, который иногда проявляет себя как частица, и тогда мы можем с успехом описывать его поведение, как поведение частицы, делать предсказания, строить теории и приборы на основании этих теорий и эти приборы будут работать. А иногда он ведет себя в точности как волна, и мы будем описывать его поведение как волны, и строить теории и приборы и они тоже будут работать. То, что ты сейчас говоришь по мобильному телефону, возможно только потому, что этот прибор построен с учетом и того, что электрон это частица, и того, что он волна. И оно работает.

Читайте также:  Как подключить и настроить цифровую приставку

Можно сказать еще и так: при некоторых способах наблюдения мы видим электрон как частицу, а при других – как волну.

Итак – необходимо твердо усвоить: электрон (или любая другая элементарная частица) – это не «частица и волна одновременно» — такого быть не может, частица это частица, а волна это волна. Это некий загадочный объект, который в некоторых условиях ведет себя в точности как частица, так что мы для простоты говорим, что сейчас он и есть частица, а в некоторых условиях он ведет себя в точности как волна, и мы для простоты так и говорим, что сейчас он является волной.

И если электрон – не частица, то это означает, что у него нет свойств частицы, например у него НЕТ траектории. Он не движется по траектории и не имеет определенной скорости в определенной точке, он даже и не находится в определенной точке. Электрон иногда ведет себя так, что нам удобно представить, как будто у него есть траектория, но на самом деле траектории у него нет, так как он не частица.

Пролетая сквозь кристалл, электрон взаимодействует одновременно со всеми миллионами атомов, расположенных в тысячах слоев – именно так можно объяснить возникающую картину дифракции. Представить это трудно. Мы еще к этому вернемся.

Явление интерференции электронов можно объяснить, используя представление об электронах как о потоке частиц, обладающих

1) электрическим зарядом

3) малыми размерами

4) волновыми свойствами

Явление интерференции присуще волновому движению. В связи с этим, явление интерференции электронов можно объяснить, используя представления об электронах, как о потоке частиц, обладающих волновыми свойствами.

Длина волны де Бройля для электрона больше, чем для -частицы. Импульс какой частицы больше?

2) -частицы

3) импульсы одинаковы

4) величина импульса не связана с длиной волны

Согласно де Бройлю длина волны, связанной с частицей, импульс которой p, равна Таким образом, длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу частицы. Поскольку длина волны для электрона больше, чем для -частиц, импульс -частиц больше.

Объяснение интерференции света на основе волновых представлений было дано в начале ХIХ века Юнгом. Его знаменитый опыт заключался в следующем: монохроматический свет из точечного источника 1 (рис.1.7.) падает на экран с двумя малыми щелями А и В, попадая затем на экран-детектор 3, регистрирующий интенсивность падающего на него света.. Эта интенсивность на рис.1.7 представлена интерференционной кривой J(x), которая очень просто объясняется с волновой точки зрения о свете.

Если затем постепенно уменьшать интенсивность света от источника 1, освещенность экрана, естественно, уменьшается, однако, интерференционная картина сохраняется. Увеличивая время экспозиции, можно получить интерференционную кривую J(x) в принципе при сколь угодно малой интенсивности света. Но тогда с корпускулярной точки зрения о свете легко прийти к выводу: распределение попаданий отдельных фотонов дает на экране-детекторе ту же интерференционную картину J(x), как и световые в олны.

Нетрудно представить мысленный эксперимент, в котором интерференционная картина останется той же, но в точке 1 будет помещен источник монохроматических электронов, при этом опять можно уменьшать интенсивность электронного пучка настолько, что можно считать электроны, проходящими через прибор (интерферометр) поодиночке.

С другой стороны, так как в природе никогда не наблюдалось половины или части электрона, то каждый электрон в этом опыте может пройти через одну из щелей: через щель А или через щель В. Значит, при закрытой щели В картина распределения электронов на экране, прошедших через щель А, представится пунктирной кривой , а при закрытой щели А электроны, проходя через щель В, и попадая на экран, дают распределение интенсивности в согласии с пунктирной кривой (рис.1.8).

Читайте также:  Фото чеков из магазинов с qr кодом

Поскольку интенсивность J(x) представляет распределение вероятности попадания электронов в различные точки экрана, то по теореме сложения вероятностей при открытых обеих щелях А и В распределение электронов на экране должно представляться суммой распределений для каждой из щелей в отдельности (сплошная кривая J(x)).

Хотя логика этого эксперимента кажется безукоризненной, распределение, характерное для открытых обеих щелей А и В, не имеет места. Вместо этого, по убеждению физиков, должна наблюдаться стандартная интерференционная картина для двух щелей (рис.1.9), как и в случае со светом (фотонами). Этот эксперимент получил название «великого парадокса».

В 1961 году удалось зафиксировать на фотопластинке подлинную картину интерференции электронов на двух щелях в эксперименте, выполненном К.Иенссоном 1 . Интерференционная картина совпала с той, которую и ожидали физики, вопреки логике здравого смысла. Схема опытной установки Иенссона (в Тюбингенском университете), в принципе повторяет мысленный эксперимент, изображенный на рис.1.10.

Единственный способ объяснения этих парадоксальных результатов состоит в создании адекватного математического формализма, совместимого с идеей дискретности значений физических величин и всегда правильно предсказывающего наблюдаемые интерференционные явления. Но математический аппарат связан с интерпретацией волновой функции , описывающей состояние квантовой системы. Действительно, если учесть, что вероятность обнаружить частицу в точке с координатами x,y,z в момент времени t пропорциональна квадрату модуля волновой функции , то отсюда следует, что волновую функцию целесообразно считать амплитудой вероятности. Тогда квадрат амплитуды вероятности равен плотности вероятности обнаружения частицы в момент t с координатами x,y,z:

.

Если событие может произойти несколькими взаимоисключающими способами (как, скажем, при прохождении электрона через одну из щелей А или В в рассматриваемых экспериментах), то амплитуда вероятности этого события представляет собою сумму амплитуд вероятностей каждого из способов:

(3.10)

Это утверждение совпадает с правилом сложения амплитуд в оптике. В рассмотренном выше примере функция представляет волну, проходящую через щель А, а – через щель В. На экране обе волны перекрываются и дают классическую интерференционную картину от двух щелей:

(3.11)

причем , т.е. последние два слагаемых в (3.11) и обеспечивают интерференционную картину.

Таким образом, главное, что следует из квантовой механики, можно сформулировать так:

основными закономерностями в природе являются закономерности не динамического, а статистического типа;

с вероятностями в природе следует обращаться не всегда так, как это принято в классических статистических теориях. Оказывается, что в определенных случаях необходимо складывать не сами вероятности событий, а амплитуды этих вероятностей, что и приводит к специфическим интерференционным эффектам.

Интересно в этом отношении высказывание М. Борна: «Статистические методы в физике по мере развития науки распространялись все больше и больше, и сегодня можно сказать, что современная физика полностью опирается на статистическую основу… Сегодня квантовая теория привела нас к более глубокому пониманию: она установила более тесную связь между статистикой и основами физики. Это является событием в истории человеческого мышления, значение которого выходит за пределы самой науки».

Более того, как отмечает Мякишев: «Главное отличие квантовой механики от классической заключается …в том, что в квантовой механике первичной величиной служит не вероятность, а ее амплитуда – волновая функция».

Ссылка на основную публикацию
Что такое медиана числового ряда
Среднее арифметическое ряда чисел – это сумма данных чисел, поделенная на количество слагаемых. Среднее арифметическое называют средним значением числового ряда....
Что делать если игры не скачиваются
Play Market — официальный магазин приложений для Андроида и главный источник загрузки новых игр и программ на смартфоны и планшеты...
Что делать если заглючил планшет
Если завис планшет леново, самсунг, асус, престижио, дигма и так далее, да еще и в самое неподходящее время радости конечно...
Что такое номер ssid
Компьютеры и телефоны уже давно прочно вошли в нашу жизнь. Помимо смартфонов и ноутбуков, существуют еще десятки устройств, которые имеют...
Adblock detector