Номер 3, страница 170 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 47. Волновые свойства частиц. Глава 6. Квантовая теория электромагнитного излучения и вещества - номер 3, страница 170.

3. Какие эксперименты подтверждают наличие волновых свойств у микрочастиц?

Наличие волновых свойств у микрочастиц, таких как электроны, протоны, нейтроны и даже целые атомы и молекулы, является одним из фундаментальных положений квантовой механики. Эта концепция известна как корпускулярно-волновой дуализм. В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что любая движущаяся частица обладает волновыми свойствами, и ее длина волны $\lambda$ связана с ее импульсом $p$ соотношением:

$\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}$

где $h$ — постоянная планка, $m$ — масса частицы, а $v$ — ее скорость. Эта революционная идея была подтверждена рядом ключевых экспериментов.

Эксперимент Дэвиссона и Джермера (1927 г.)

Это был первый эксперимент, напрямую подтвердивший гипотезу де Бройля. Американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер исследовали рассеяние пучка электронов на поверхности монокристалла никеля. Они обнаружили, что электроны рассеиваются не хаотично, а преимущественно в определенных направлениях. Угловое распределение рассеянных электронов имело ярко выраженные максимумы и минимумы, что является характерной картиной дифракции волн.

Кристаллическая решетка никеля сыграла роль естественной дифракционной решетки для электронных волн. Зная параметры решетки и энергию электронов (а значит, и их импульс), Дэвиссон и Джермер смогли рассчитать длину волны, которая должна была бы вызвать наблюдаемую дифракционную картину. Полученное экспериментальное значение длины волны в точности совпало со значением, предсказанным по формуле де Бройля.

Эксперимент Джорджа Томсона (1927 г.)

Практически одновременно и независимо от Дэвиссона и Джермера, английский физик Джордж Паджет Томсон провел свой эксперимент. Он пропускал пучок электронов с высокой энергией через тонкую поликристаллическую фольгу из золота, серебра или алюминия. На фотопластинке, расположенной за фольгой, он получил картину из концентрических колец.

Такая картина (дебаевские кольца) характерна для дифракции рентгеновских лучей на поликристаллических образцах. Каждый кристаллик в фольге ориентирован случайным образом, и дифракция на них создает конусы рассеянного излучения, которые на плоской пластине выглядят как кольца. Этот эксперимент также убедительно доказал, что электроны ведут себя как волны. За это открытие Дэвиссон и Томсон получили Нобелевскую премию по физике в 1937 году.

Двухщелевой эксперимент с электронами

Этот эксперимент является одной из самых наглядных и фундаментальных демонстраций волновой природы частиц. В нем пучок электронов направляется на экран с двумя близко расположенными щелями. За экраном находится детектор, регистрирующий, куда попадают электроны.

Когда обе щели открыты, на детекторе образуется интерференционная картина — чередование полос с высокой и низкой интенсивностью попадания электронов. Это классический результат для волн, которые проходят через обе щели одновременно и интерферируют друг с другом. Самое поразительное, что эта картина образуется даже в том случае, если электроны посылаются по одному. Это означает, что каждый отдельный электрон ведет себя как волна, проходит через обе щели одновременно и интерферирует сам с собой. Если же попытаться определить, через какую именно щель пролетел электрон, интерференционная картина исчезает, что демонстрирует принцип дополнительности.

Эксперименты с другими частицами

Волновые свойства были обнаружены не только у электронов. Аналогичные эксперименты по дифракции и интерференции были успешно проведены с другими частицами:

• Нейтроны: Дифракция нейтронов на кристаллах является стандартным методом для изучения структуры материалов (нейтронография).
• Атомы и молекулы: Была продемонстрирована дифракция и интерференция пучков атомов гелия, натрия и даже крупных органических молекул, таких как фуллерены (C₆₀). Эксперименты с фуллеренами, проведенные группой Антона Цайлингера в 1999 году, показали, что даже объекты, состоящие из десятков атомов, подчиняются законам квантовой механики и проявляют волновые свойства.

Эти эксперименты неопровержимо доказывают универсальность принципа корпускулярно-волнового дуализма для всех объектов микромира.

Ответ: Эксперименты, подтверждающие наличие волновых свойств у микрочастиц, включают: эксперимент Дэвиссона и Джермера по дифракции электронов на кристалле никеля; эксперимент Дж. П. Томсона по дифракции электронов на поликристаллической фольге; двухщелевой эксперимент с электронами (и другими частицами), демонстрирующий интерференцию; а также эксперименты по дифракции нейтронов, атомов и крупных молекул (например, фуллеренов).