Номер 5, страница 219 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

5. Приведите примеры, подтверждающие гипотезу де Бройля.

Гипотеза, выдвинутая французским физиком Луи де Бройлем в 1923 году, утверждает, что все без исключения материальные объекты обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Каждой движущейся частице с импульсом $\text{p}$ сопоставляется волна, длина которой (длина волны де Бройля) определяется формулой:

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

где $\text{h}$ — постоянная Планка, $\text{m}$ — масса частицы, а $\text{v}$ — ее скорость. Эта революционная идея, объединившая, казалось бы, несовместимые понятия частицы и волны, была подтверждена рядом блестящих экспериментов.

1. Опыт Дэвиссона и Джермера (1927 г.)
Американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер исследовали рассеяние пучка электронов на монокристалле никеля. Они обнаружили, что электроны отражаются от кристалла не хаотично, а преимущественно под определёнными углами. Такая картина соответствовала не отражению частиц, а дифракции волн на кристаллической решетке. Углы, под которыми наблюдались максимумы интенсивности рассеянных электронов, в точности совпадали с предсказаниями теории дифракции для волн, длина которых была рассчитана по формуле де Бройля для использованных электронов. Это стало первым прямым экспериментальным доказательством волновой природы электронов.

2. Опыт Джорджа Томсона (1927 г.)
Практически одновременно и независимо от Дэвиссона и Джермера английский физик Джордж Паджет Томсон пропустил пучок высокоэнергетических электронов через тонкую поликристаллическую фольгу (например, золотую). На фотопластинке, расположенной за фольгой, он получил картину из концентрических колец (дифракционных колец). Такой результат аналогичен дифракции рентгеновских лучей на поликристаллах (метод Дебая-Шеррера) и мог быть объяснен только волновыми свойствами электронов. Размеры колец также соответствовали длине волны, вычисленной по формуле де Бройля. За эти работы Дэвиссон и Томсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1937 году.

3. Дифракция других частиц
Волновые свойства являются универсальной характеристикой материи. Позднее дифракция и интерференция были продемонстрированы и для других, более тяжелых частиц, что окончательно подтвердило всеобщность гипотезы де Бройля.
Нейтроны: Дифракция нейтронов является стандартным методом для исследования структуры кристаллов. Она особенно эффективна для определения положения легких атомов, таких как водород, что трудно сделать с помощью рентгеновских лучей.
Атомы и молекулы: Были проведены успешные эксперименты по наблюдению интерференции пучков атомов гелия, а также крупных молекул, например, фуллеренов C₆₀. Эти опыты показывают, что даже относительно массивные и сложные объекты ведут себя как волны.

4. Электронный микроскоп
Принцип работы электронного микроскопа является ярким практическим подтверждением и применением гипотезы де Бройля. Разрешающая способность микроскопа ограничена длиной волны используемого излучения. В электронном микроскопе используются электроны, разогнанные до высоких скоростей. Их длина волны де Бройля оказывается в тысячи раз меньше длины волны видимого света. Это позволяет с помощью магнитных линз, фокусирующих пучок электронов, получать изображения с увеличением в сотни тысяч и даже миллионы раз и разрешать детали на уровне отдельных атомов. Создание такого прибора было бы невозможным, если бы электроны не обладали волновыми свойствами.

Ответ: Примерами, подтверждающими гипотезу де Бройля, являются: эксперименты по дифракции электронов на кристаллах (опыты Дэвиссона и Джермера, а также Дж. П. Томсона); наблюдение дифракции и интерференции других частиц (нейтронов, протонов, атомов и молекул); а также сам принцип работы электронного микроскопа, использующего волновые свойства электронов для получения изображений сверхвысокого разрешения.