Страница 166 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Какие объекты, согласно представлениям классической физики, имеют волновую природу, а какие — корпускулярную?

В классической физике существовало строгое и чёткое разделение всех физических объектов и явлений на две категории: корпускулы (частицы) и волны. Эти два понятия рассматривались как несовместимые и взаимоисключающие.

• Корпускулярную природу приписывали объектам, состоящим из вещества и обладающим массой. Корпускула (от лат. corpusculum — тельце) — это дискретный объект, который локализован в пространстве, то есть в любой момент времени имеет определённые координаты, скорость и массу. Движение таких объектов описывается законами механики Ньютона. Примерами объектов, которые в классической физике считались исключительно корпускулярными, являются: планеты, камни, песчинки, а также микрообъекты, такие как атомы и электроны.
• Волновую природу приписывали процессам, связанным с распространением колебаний в какой-либо среде или в вакууме. Волна — это возмущение, которое распространяется в пространстве, перенося энергию без переноса вещества. В отличие от частицы, волна не локализована в одной точке, а занимает определённую область пространства. Она характеризуется такими параметрами, как длина волны, частота, амплитуда и скорость распространения. Классические примеры явлений и объектов с волновой природой — это свет (в рамках волновой оптики), звук, волны на поверхности воды, а также все виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и т. д.). Для волн характерны такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация, которые не могли быть объяснены с точки зрения корпускулярной теории.

Таким образом, в классическом подходе вещество всегда рассматривалось как совокупность частиц, а свет и другие излучения — как волны. Лишь в XX веке с развитием квантовой механики было установлено, что такое разделение является условным, и все микрообъекты обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами (корпускулярно-волновой дуализм).

Ответ: Согласно представлениям классической физики, корпускулярную природу имеют объекты, состоящие из вещества и обладающие массой (например, макроскопические тела, атомы, электроны), а волновую природу — различные виды излучений и колебаний (например, свет, звук, радиоволны).

2. Что называют корпускулярно-волновым дуализмом?

Что называют корпускулярно-волновым дуализмом?

Корпускулярно-волновой дуализм — это фундаментальный принцип квантовой механики, согласно которому любой микрообъект (например, фотон, электрон, атом) может проявлять как свойства частицы (корпускулы), так и свойства волны. Эти два аспекта поведения, кажущиеся несовместимыми в классической физике, являются неотъемлемыми характеристиками одного и того же объекта.

Исторически, свет сначала рассматривался как поток частиц (корпускулярная теория Исаака Ньютона), а затем как волна (волновая теория Христиана Гюйгенса, подтвержденная опытами Томаса Юнга по интерференции и работами Джеймса Максвелла по электромагнетизму). Однако в начале XX века для объяснения таких явлений, как фотоэффект и тепловое излучение, Альберт Эйнштейн и Макс Планк вновь обратились к идее о дискретности света. Они предположили, что свет излучается и поглощается порциями — квантами, которые назвали фотонами. Энергия фотона $E$ связана с частотой света $\nu$ формулой Планка: $$E = h\nu$$ где $h$ — постоянная Планка. Это уравнение впервые связало корпускулярную характеристику (энергию кванта) с волновой характеристикой (частотой).

В 1923-1924 годах французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу о том, что волновые свойства присущи не только свету, но и любым частицам материи. Он предположил, что с каждой частицей, обладающей импульсом $p$, связана волна определенной длины $\lambda$. Эта длина волны, названная длиной волны де Бройля, вычисляется по формуле: $$ \lambda = \frac{h}{p} $$ где $p = mv$ для нерелятивистской частицы ($m$ — масса, $v$ — скорость).

Гипотеза де Бройля была экспериментально подтверждена в 1927 году в опытах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джермера, а также Джорджа Томсона, которые наблюдали дифракцию электронов на кристаллах. Это стало решающим доказательством волновой природы материи.

Проявление дуализма зависит от условий эксперимента. В одних условиях (например, в эффекте Комптона) электрон или фотон ведут себя как частицы, сталкиваясь и обмениваясь импульсом. В других условиях (например, при прохождении через две щели) они демонстрируют волновое поведение, создавая интерференционную картину. Важно отметить, что объект не является одновременно и частицей, и волной. Скорее, это нечто третье, что мы вынуждены описывать с помощью классических понятий "частица" и "волна", потому что наш язык и интуиция основаны на макромире. Согласно принципу дополнительности Нильса Бора, корпускулярное и волновое описания являются взаимоисключающими, но в то же время дополняющими друг друга для полного описания квантового объекта.

Ответ: Корпускулярно-волновой дуализм — это свойство природы, состоящее в том, что любые материальные микрообъекты обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными (свойствами частиц) характеристиками. В зависимости от условий эксперимента они могут проявлять себя либо как волны (например, в явлениях дифракции и интерференции), либо как частицы (например, при взаимодействиях, связанных с обменом энергией и импульсом).