Контрольная работа по дисциплине концепции современного естествознания

     Повторенное почти одновременно в Англии Дж. П. Томсоном, сыном Дж. Дж. Томсона, применившим совершенно иной метод, явление дифракции электронов вскоре стали наблюдать почти во всех странах.

     Как это часто бывает, явление дифракции  электронов, как вначале казалось, очень трудно наблюдаемое и требующее высокого искусства экспериментатора, теперь стало относительно простым и повседневным. Приборы для наблюдения явления дифракции стали настолько совершенными, что сегодня это явление можно демонстрировать студентам на лекции. Наконец, условия этих экспериментов варьировались в таких широких пределах, что справедливость основной формулы, выражающей соотношение между свойствами волны и характеристиками частицы, можно считать теперь доказанной во всем интервале энергий от нескольких эВ до миллиона эВ. Для больших значений энергии необходимо учитывать релятивистские поправки. Таким образом, косвенно подтверждаются и результаты теории относительности.

     Справедливость  формулы для длины волны, связанной  с частицей, считается сегодня  настолько очевидной, что явление дифракции электронов используется уже не для подтверждения этой формулы, а для изучения структуры некоторых кристаллических или частично ориентированных сред. Эксперименты по дифракции электронов дали великолепное прямое подтверждение представления о связи волн и частиц, которое послужило исходным пунктом для создания новой механики.

     Уместно отметить, что была получена дифракция  не только электронов, но и других частиц. Так же, как и электроны, явление  дифракции испытывают протоны и атомы. Подобные эксперименты очень сложны и не столь многочисленны, однако установлено, что даже здесь подтверждаются формулы волновой механики. Это не должно нас удивлять. Связь между волнами и частицами – это, по-видимому, великий закон природы, причем такой дуализм тесно связан с существованием и внутренней сущностью кванта действия. Нет никаких причин считать, что только электроны обладают такими свойствами. Неудивительно, что мы встречаемся с дуализмом волна – частица при изучении всех физических объектов.

      3.В науке и технике широко используются как корпускулярно – волновые свойства микрочастиц так и электронов.

     Фотоэффект  нашел широкое применение в телевидении, на производстве для счета деталей, их сортировки. В промышленной автоматике. В последнее время широко стали использовать фотоэлементы, главная задача которых в преобразовании падающего на них излучение в электрический ток. Фотоэлементы используют как элементы питания бытовой техники, космический аппаратов (спутников).

     Дифракция электронов широко используется для исследования строения вещества. Несмотря на то, что диапазон длин волн электронов тот же, что и для рентгеновских лучей, электронная дифракция позволяет решать задачи, существенно отличные от тех, которые доступны рентгеноструктурному анализу. Это имеет место по следующим причинам:

• рентгеновские лучи рассеиваются электронной оболочкой атома и практически не рассеиваются атомными ядрами. Наглядное классическое объяснение состоит в том, что ядра атомов, в силу большей массы, практически не испытывают ускорения в электромагнитном поле фотона и, следовательно, не испускают рассеянных волн, как электроны. Электроны же взаимодействуют благодаря электромагнитным силам не только с электронами атома, но и с ядром. Расчет показывает, что интенсивность рассеяния электронами пропорциональна их числу в атоме, т. е. Z, а интенсивность рассеяния ядром заряда Ze пропорциональна Z². Таким образом, основная доля электронов рассеивается атомным ядром. То, что интенсивность рассеяния ядром пропорциональна Z², позволяет различать атомы даже с близкими Z. Кроме того, рентгеноструктурный анализ не позволяет обнаруживать положение атома водорода в молекуле или кристалле, так как единственный электрон атома водорода при этом "обобществляется", входя в состав общей электронной оболочки, а протон практически не рассеивает рентгеновских лучей. Электронографический анализ позволяет находить положение протонов.
• рентгеновские лучи рассеиваются в веществе весьма слабо. Для получения рентгенограммы необходима достаточно большая толща вещества и экспозиция в течение многих часов. Электроны взаимодействуют с веществом, благодаря наличию заряда, очень сильно и позволяют получать прекрасные электронограммы от тончайших пленок толщиной, например, в 20 – 30 А. Снимок получается при экспозиции в несколько секунд. Дифракция электронов позволяет исследовать, например, изменение структуры тончайшего поверхностного слоя металлов при их полировке, что совершенно невозможно сделать методами рентгеноструктурного анализа, хотя и представляет огромный интерес для прикладных целей, так как именно структура поверхностных слоев металла определяет устойчивость детали на износ.

     Формула де Бройля применима к любым частицам, и простым и сложным. Однако дифракционные  явления, следовательно, волновые свойства частиц, можно заметить далеко не всегда. Это происходят в силу того, что длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе частиц.

     Если  для электрона с энергией в 1 эв получается сравнительно очень большая  величина λ=12,3А, то для протона той  же энергии она составляет уже λ = 0,28А, а для молекулы кислорода при комнатной температуре λ = 0,14А. Кроме малости длины волны, исследования дифракции атомов и молекул затрудняются тем, что атомы и молекулы неспособны проникать в толщу кристалла и поэтому могут дать лишь дифракцию от поверхностей решетки кристалла. Трудно также получить достаточно монохроматический атомный или молекулярный пучок. В настоящее время проводят исследование структуры вещества с помощью дифракции нейтронов - "нейтронографии". Дифракция нейтронов позволяет исследовать упорядоченные структуры сплавов типа FеСо, FeMn, у которых близость атомных номеров не позволяет различать методами дифракции рентгеновских лучей или электронов атомы различных типов. Нейтроны рассеиваются ядрами этих атомов различно, и установить их взаимное расположение оказалось возможным методом нейтронографии. Любопытно, что установить структуру кристалла льда – определить расположение в нем атомов кислорода и водорода – удалось лишь методом нейтронографии.

     Что касается макроскопических частиц материи, то их дифракцию наблюдать невозможно. Например, для пылинки массой 10^-12 грамм волна де Бройля имеет величину порядка 10^-17м.

     При такой длине волны невозможно реализовать условия, с помощью  которых можно было бы наблюдать дифракцию, т. е. макроскопические частицы проявляют явно только одну сторону своей природы – корпускулярную.

     Таким образом, новая теория, трактующая материальные частицы как объекты двойственной корпускулярно-волновой природы, не отбрасывает  старых корпускулярных представлений о макроскопических частицах материи, но, обосновывая эти представления с новой точки зрения, одновременно дает и пределы их применимости в новых условиях.

     Корпускулярно – волновой дуализм, а также опыты  по дифракции электронов и протонов показали, что микрочастицы владеют волновыми свойствами и не являются материальными частицами в классическом понятии этого слова. Это привело к дальнейшему развитию квантовой механики, которая для микрочастиц ввела понятия делокализации и волновой функции. Принцип неопределенности Гейзенберга показал невозможность одновременного нахождения двух параметров для микрочастиц. Электрон, как и фотон не может иметь одновременно определенную координату и импульс:

     Корпускулярно – волновой дуализм выступил той основой, на которой была построена почти вся современная физика, квантовая механика, физика микрочастиц, астрономия. На основе этого принципа работают современные научные и бытовые приборы, инструменты, как пример можно привести разнообразные фотоэлементы которые можно встретить как в научной аппаратуре, так и в быту. Исследование вещества не было бы возможно без электронного микроскопа и электронографических методов.

     Но, конечно, не в этих многочисленных прикладных применениях корпускулярно – волнового дуализма его основная ценность. Исключительная роль данной теории определяется тем, что она выступает фундаментом всего естествознания. Уровень этой науки определяет на сегодня уровень понимания всего окружающего нас мира, определяет уровень интеллектуальной зрелости человечества. Без этой теории и построенных на ней выводов невозможно понять прошлое нашего мира, невозможно понять основные процессы, идущие в нем. Невозможно прогнозировать будущее.

     История физики учит, что каждый новый успешный шаг на пути  познания фундаментальных закономерностей природы неизбежно приводил к огромным (и почти всегда довольно неожиданным) изменениям в технике и радикальным образом сказывался на жизни всего человечества. Достаточно вспомнить о тех плодах, которые принесли людям такие абстрактные теории, как электродинамика, теория относительности. Поэтому и квантовая электроника, основанная на корпускулярно – волновом дуализме принесет немало изменений в наш мир. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы. 
 

I.

 Алексеев  П.В. Наука и мировоззрение.  М., 1983.

Алексеева И.Ю. Человеческое знание и его компьютерный образ. М., 1993.

http://window.edu.ru/window/library?p_rid=29647

http://www.lib.tpu.ru/fulltext/m/2002/m12.pdf 

II.

Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995.

Зисман Г. А., Тодес О. М. Курс общей физики. В 3 т. – М.: Наука, 1995.

Л. Де Бройль Революция в физике. Пер. с фр. – М.: Атомиздат, 1965.

http://www.lib.tpu.ru/fulltext/m/2002/m12.pdf

http://nrc.edu.ru/est/

http://www.lib.tpu.ru/fulltext/m/2002/m12.pdf