E.S.,
, Munitsipaalõppeasutuse keskkool nr 16 UIOP-ga, Lysva, Permi piirkond.

Kvantfüüsika sünd

Leidke kõige algus ja saate palju aru!
Kozma Prutkov

Tunni kasvatuslik eesmärk: tutvustada mateeria diskreetsuse mõistet, sõnastada mateeria kvantlaine dualismi mõiste, põhjendada Plancki valemite ja de Broglie lainepikkuse kasutuselevõttu.

Tunni arendav eesmärk: arendada loogilist mõtlemist, oskust võrrelda ja analüüsida olukordi ning näha interdistsiplinaarseid seoseid.

Tunni kasvatuslik eesmärk: kujundada dialektilis-materialistlikku mõtlemist.

Füüsikal kui teadusel on universaalsed inimlikud väärtused ja tohutu humanitaarpotentsiaal. Selle uurimise käigus paljastatakse põhilised teaduslikud meetodid (teaduslik eksperiment, modelleerimine, mõtteeksperiment, teadusliku teooria loomine ja struktuur). Õpilastele tuleb anda võimalus vaadata maailma füüsiku pilguga, et mõista maailma igavikulisust ja pidevat muutumist – maailma, milles on nii palju tohutut ja ebaoluliselt väikest, väga kiiret ja ebatavaliselt aeglast. , lihtne ja raskesti mõistetav - tunda inimese pidevat soovi teadmiste järele, mis pakuvad sügavaimat rahuldust, tutvuda näidetega sügavatest "teaduslike kahtluste" kogemustest ja julgest liikumisest mööda harjumatut rada elegantsi, lühidust ja selgust otsides. .

I. Õpetaja. Kui hakkasime optikat õppima, esitasin küsimuse: "Mis on valgus?" Kuidas sa sellele nüüd vastaksid? Proovige oma mõte ühe lausega sõnastada. Alustage sõnadega "valgus on..." F.I. Tjutševil on järgmised read: "Jälle ahnete silmadega // Ma joon eluandvat valgust." Palun proovige neid ridu füüsika vaatenurgast kommenteerida. Luules – Homerosest tänapäevani – on valguse tekitatud aistingud alati saanud erilise koha. Kõige sagedamini tajusid luuletajad valgust kui erilist helendavat, säravat vedelikku.

Et tänane vestlus valguse teemal oleks täielik, tahaksin lugeda S.I. Vavilova: „Jätkuval võidukal tõe pärast sõda, mis ei lõpe kunagi lõpliku võiduga, on siiski vaieldamatu õigustus. Valguse olemuse mõistmise teel sai inimene mikroskoobid, teleskoobid, kaugusmõõtjad, raadiod ja röntgenikiirgus; See uurimus aitas omandada aatomituuma energia. Tõde otsides laiendab inimene piiramatult oma loodusvaldamise valdkondi. Kas see pole mitte teaduse tegelik ülesanne? (rõhutus minu poolt. E.U.)»

II. Õpetaja. Füüsika õppimise käigus saime tuttavaks paljude teooriatega, näiteks MCT, termodünaamika, Maxwelli elektromagnetvälja teooriaga jne. Tänaseks lõpetame laineoptika õpet. Peame teema uurimise kokku võtma ja võib-olla panema viimase punkti küsimusele: "Mis on valgus?" Kas saaksite kasutada näiteid laineoptikast, et näidata teooria rolli looduse mõistmise protsessis?

Pidagem meeles, et teooria tähendus ei seisne mitte ainult selles, et see võimaldab seletada paljusid nähtusi, vaid ka selles, et see võimaldab ennustada uusi, seni teadmata füüsikalisi nähtusi, kehade omadusi ja mustreid. Seega selgitas laineteooria interferentsi, difraktsiooni, polarisatsiooni, murdumise, valguse hajumise nähtusi ja võimaldas teha "pliiatsi otsas avastuse" - ennustuse. 1815. aastal esitas tundmatu pensionil insener Augustin Fresnel Pariisi Teaduste Akadeemiale difraktsiooni nähtust selgitava artikli. Töö analüüs usaldati kuulsatele teadlastele – füüsik D. Aragole ja matemaatik S. Poissonile. Poisson, lugedes seda teost kirega, avastas Fresneli järeldustes karjuva absurdsuse: kui valgusvoogu asetada väike ümmargune sihtmärk, peaks varju keskele ilmuma hele laik! Mis te arvate, mis juhtus järgmisena? Paar päeva hiljem Arago katsetas ja avastas, et Fresnelil oli õigus! Niisiis, 19. sajand on laineoptika võidukäigu sajand.

Mis on valgus? Valgus on elektromagnetiline põiklaine.

Lõpetades suure valguse ja elektromagnetlainete olemusega seotud füüsikalõigu, teen ettepaneku sooritada iseseisvalt testülesanne “Elektromagnetlained” (vt lisa 1). Kontrollime täitmist eesotsas.

III. Õpetaja. Ja Londoni ajalehed kirjutasid 1900. aasta eelõhtul järgmiselt: „Kui Londoni tänavad valgustasid hämarate õlikausside asemel eredatest lambipirnidest valmistatud pidulikud tuled, sõitsid Fleet Streeti iidse hoone juurde üksteise järel taksod. Rüüdes auväärsed härrad tõusid mööda laia eredalt valgustatud trepihalli saali. Seejärel kogunesid Londoni Kuningliku Seltsi liikmed oma järgmisele koosolekule. Pikakasvuline, hallipäine, paksu habemega, Sir William Thomson (kas teate tema saavutusi füüsika vallas? - E.U.), andis kaheksa aastat tagasi kuninganna Victoria käest eakaaslase ja lord Kelvini tiitli (kas see nimi on teile tuttav? - E.U.), ja nüüd seltsi president, alustas oma uusaastakõnet. 19. sajandi suur füüsik märkis ära möödunud sajandil saavutatud edu, loetles kohalviibijate teeneid...

Kokkutulnud noogutasid tunnustavalt pead. Kui olla tagasihoidlik, siis nad tegid head tööd. Ja Sir Williamil oli õigus, kui ta ütles, et suur füüsikahoone on ehitatud ja jäänud on vaid väikesed viimistlused.

Tõsi (lord Kelvin katkestas hetkeks kõne), füüsika pilvitu horisondis on kaks väikest pilve, kaks probleemi, mis pole klassikalise füüsika seisukohalt veel seletust leidnud... Kuid need nähtused on ajutised ja mööduvad. Antiiksetes kõrge seljatoega toolides lõõgastunud härrad naeratasid. Kõik teadsid, millest me räägime:

1) klassikaline füüsika ei suutnud seletada Michelsoni katseid, mis ei määranud Maa liikumise mõju valguse kiirusele. Kõigis võrdlussüsteemides (nii liikuvas kui ka puhkeasendis Maa suhtes) on valguse kiirus ühesugune – 300 000 km/s;

2) klassikaline füüsika ei suutnud seletada eksperimentaalselt saadud musta keha kiirguse graafikut.

Sir William ei osanud isegi ette kujutada, milline välk nendest pilvedest peagi lööb! Tulevikku vaadates ütlen: esimese probleemi lahendamine toob kaasa klassikaliste ideede revideerimise ruumi ja aja kohta, teise probleemi lahendus toob kaasa uue teooria loomise - kvant. See on lahendus teisele probleemile, mida tänases tunnis arutatakse!

IV. (Õpilased teevad vihikusse märkmeid: Kuupäev Tunni nr Tunni teema: "Kvantfüüsika päritolu".) 19. ja 20. sajandi vahetusel. Füüsikas tekkis hädasti lahendamist vajav probleem: absoluutselt musta keha kiirgusgraafiku teoreetiline seletus. Mis on täiuslik must keha? ( Õpilaste hüpoteesid. Videoklipi “Soojuskiirgus” demonstratsioon .)

Õpetaja. Kirjutage üles: "Täiesti must keha on keha, mis on võimeline neelama peegeldumiseta kogu langeva kiirgusvoo, kõik mis tahes lainepikkusega (mis tahes sagedusega) elektromagnetlained."

Kuid täiesti mustadel kehadel on veel üks omadus. Mäletate, miks musta nahaga inimesed elavad ekvatoriaalterritooriumidel? "Mustad kehad helendavad kuumutamisel heledamalt kui ükski teine ​​keha, see tähendab, et nad kiirgavad energiat kõigis sagedusvahemikes," kirjutage see oma märkmikusse.

Teadlased on katseliselt määranud täiesti musta keha kiirgusspektri. ( Joonistab graafiku.) Rν – energeetilise heleduse spektraaltihedus – keha pindalaühikult ühikulises sagedusvahemikus ν ajaühikus emiteeritud elektromagnetkiirguse energia. Maxwelli elektromagnetvälja teooria ennustas elektromagnetlainete olemasolu, kuid selle teooria alusel konstrueeritud teoreetilisel musta keha kiirguskõveral oli lahknevus kõrgsageduspiirkonna eksperimentaalkõveraga. Probleemi kallal töötasid tolleaegsed parimad mõistused: inglased Lord Rayleigh ja J. Jeans, sakslased P. Kirchhoff ja V. Wien, Moskva professor V.A. Mihhelson. Miski ei töötanud!

Paku väljapääsu praegusest olukorrast. Teoreetiline kõver erineb eksperimentaalsest. Kuidas olla ja mida teha? ( Õpilased väljendavad hüpoteese: viige katseid läbi hoolikamalt - nad tegid, tulemus on sama; muuda teooriat – aga see on katastroof, kogu tuhandete aastate jooksul loodud klassikalise füüsika vundament variseb kokku!) Loodud olukord füüsikas nimetati ultraviolettkiirguse katastroof.

Kirjutage üles: "Klassikalise füüsika meetodid osutusid ebapiisavaks, et selgitada kõrgsageduspiirkonnas täiesti musta keha kiirgust - see oli "ultraviolettkatastroof".

Kes oskab arvata, miks see kriis nime sai ultraviolettkiirguse katastroof, ja mitte infrapuna või violetne? Füüsikas on puhkenud kriis! Kreeka sõna κρίση [ kriis] tähistavad rasket üleminekut ühest stabiilsest olekust teise. Probleem tuli lahendada ja kiiresti lahendada!

V.Õpetaja. Ja nii tegi saksa teadlane M. Planck 19. oktoobril 1900. aastal Füüsika Seltsi koosolekul ettepaneku kasutada absoluutselt musta keha kiirguse arvutamiseks valemit. E = hν. Plancki sõber ja kolleeg Heinrich Rubens istus terve öö oma töölaua taga, võrdles oma mõõtmisi Plancki valemiga antud tulemustega ja oli hämmastunud: tema sõbra valem kirjeldas peensusteni absoluutselt musta keha kiirgusspektrit! Niisiis, Plancki valem kõrvaldas "ultraviolettkatastroofi", kuid mis hinnaga! Planck tegi vastupidiselt väljakujunenud seisukohtadele ettepaneku arvestada, et aine aatomite kiirgusenergia emissioon toimub diskreetselt, st osadena, kvantidena. "Kvant" ( kvant) ladina keelest tõlgituna tähendab lihtsalt kogus .

Mida tähendab "diskreetne"? Teeme mõtteeksperimendi. Kujutage ette, et teie käes on purk vett täis. Kas pooli on võimalik valada? Kuidas oleks lonksu võtmisega? Ja veel vähem? Põhimõtteliselt on võimalik vee massi suvaliselt väikese koguse võrra vähendada või suurendada. Kujutagem nüüd ette, et meie käes on kast 100 g lastekuubikuid. Kas on võimalik vähendada näiteks 370 g? Ei! Sa ei saa kuubikuid purustada! Seetõttu võib kasti mass diskreetselt muutuda, ainult portsjonitena, mis on 100 g mitmekordsed! Väikseima summa, mille võrra saab karbi massi muuta, võib nimetada osa, või massikvant.

Seega muutus kuumutatud musta keha pidev energiavoog eraldi portsjonitest koosneva "kuulipilduja purskeks" - energiakvantideks. See ei tunduks midagi erilist. Kuid tegelikult tähendas see kogu klassikalise füüsika suurepäraselt ehitatud ehitise hävitamist, kuna järjepidevuse printsiibile rajatud põhiliste põhiseaduste asemel pakkus Planck välja diskreetsuse printsiibi. Planckile endale diskreetsuse idee ei meeldinud. Ta püüdis sõnastada teooriat nii, et see sobiks täielikult klassikalise füüsika raamidesse.

Kuid oli inimene, kes, vastupidi, läks veelgi otsustavamalt klassikaliste ideede piiridest välja. See mees oli A. Einstein. Et mõistaksite Einsteini vaadete revolutsioonilist olemust, ütlen vaid, et Plancki ideed kasutades pani ta aluse laserite (kvantgeneraatorite) teooriale ja aatomienergia kasutamise põhimõttele.

Akadeemik S.I. Vavilov ei suutnud väga pikka aega harjuda ideega valgusest kui kvantide ainest, kuid temast sai selle hüpoteesi tulihingeline austaja ja ta leidis isegi kvantide vaatlemise viisi. Ta arvutas, et silm suudab eristada valgustust, mille tekitab 52 kvanti rohelist valgust.

Nii et Plancki sõnul on valgus... ( õpilaste avaldused).

VI. Õpetaja. Kas Plancki hüpotees ei tuleta meelde juba tuntud hüpoteesi valguse olemuse kohta? Sir Isaac Newton tegi ettepaneku pidada valgust koosnevaks pisikestest osakestest – kehakestest. Iga helendav keha kiirgab neid igas suunas. Nad lendavad sirgjooneliselt ja kui nad meile silma tabavad, näeme nende allikat. Iga värv vastab oma kehakestele ja need erinevad tõenäoliselt selle poolest, et neil on erinev mass. Kerekehade kombineeritud voog loob valge valguse.

Sir Isaac Newtoni ajal nimetati füüsikat loodusfilosoofiaks. Miks? Lugege (vt lisa 2) üht dialektika põhiseadust – eituse eituse seadust. Proovige seda rakendada valguse olemuse küsimuses. ( Õpilaste arutluskäik.)

Niisiis, M. Plancki hüpoteesi kohaselt on valgus osakeste, kehakeste ja kvantide voog, millest igaühel on energia E = hν. Palun analüüsige seda valemit: mis on ν? mis on juhtunud h (üks õpilastest annab kindlasti mõista, et see on mingi konstant, mis sai nime Plancki järgi)? Mis on Plancki konstandi ühik? mis on konstandi väärtus ( füüsikaliste konstantide tabeliga töötamine)? Mis on Plancki konstandi nimi? Mis on Plancki konstandi füüsiline tähendus?

Plancki valemi ilu hindamiseks pöördume probleemide... bioloogia poole. Kutsun õpilasi vastama bioloogia valdkonna küsimustele (lisa 3).

Nägemismehhanism. Nägemise kaudu saame umbes 90% teabest maailma kohta. Seetõttu on nägemismehhanismi küsimus inimesi alati huvitanud. Miks inimsilm ja enamik Maa elanikest tajub looduses eksisteerivast elektromagnetilise kiirguse spektrist vaid väikest laineid? Mis siis, kui inimesel oleks infrapunanägemine, näiteks nagu maod?

Öösel näeksime, nagu ka päeval, kõiki orgaanilisi kehasid, kuna nende temperatuur erineb elutute kehade temperatuurist. Kuid meie jaoks oleks kõige võimsam selliste kiirte allikas meie enda keha. Kui silm on infrapunakiirguse suhtes tundlik, tuhmuks Päikese valgus meie jaoks tema enda kiirguse taustal lihtsalt ära. Me ei näeks midagi, meie silmad oleksid kasutud.

Miks meie silmad infrapunavalgusele ei reageeri? Arvutame infrapuna- ja nähtava valguse kvantide energia järgmise valemi abil:

IR-kvantide energia on väiksem kui nähtava valguse kvantide energia. Mitu kvanti ei saa “kokku saada”, et tekitada tegevust, mis ületab ühe kvanti jõu – mikromaailmas toimub kvanti ja osakese üks-ühele interaktsioon. Ainult nähtava valguse kvant, mille energia on suurem kui infrapunavalgusel, võib põhjustada reaktsiooni rodopsiini molekulis, st võrkkesta varras. Nähtava valguse kvanti mõju võrkkestale võib võrrelda tennisepalli löögiga, mis liigutas... mitmekorruselist hoonet. (Reetina tundlikkus on nii kõrge!)

Miks silm ei reageeri ultraviolettkiirgusele? UV-kiirgus on ka silmale nähtamatu, kuigi UV-kvantide energia on palju suurem kui nähtava valguse kvantide oma. Võrkkesta on UV-kiirte suhtes tundlik, kuid lääts neelab need, vastasel juhul oleks neil hävitav mõju.

Evolutsiooni käigus on elusorganismide silmad kohanenud tajuma Maa võimsaima allika – Päikese – kiirguse energiat ja just neid laineid, mis moodustavad Maale langeva päikesekiirguse maksimaalse energia.

Fotosüntees. Rohelistes taimedes ei peatu protsess, mille kaudu kõik elusolendid saavad hingamiseks ja toiduks hapnikku, sekundikski. See on fotosüntees. Lehtede värvus on roheline, kuna selle rakkudes on klorofüll. Fotosünteesi reaktsioonid toimuvad kiirguse mõjul spektri punakasvioletses osas ja spektri rohelisele osale vastava sagedusega lained peegelduvad, mistõttu on lehtedel roheline värvus.

Klorofülli molekulid "vastutavad" ainulaadse protsessi eest, mille käigus muundatakse valgusenergia orgaaniliste ainete energiaks. See algab valguskvanti neeldumisega klorofülli molekuli poolt. Valguskvanti neeldumine põhjustab fotosünteesi keemilisi reaktsioone, mis hõlmavad paljusid ühikuid.

Terve päeva on klorofülli molekulid "hõivatud" sellega, et pärast kvanti saamist kasutavad nad selle energiat, muutes selle elektroni potentsiaalseks energiaks. Nende tegevust võib võrrelda mehhanismi tegevusega, mis tõstab palli trepist üles. Treppidest alla veeredes kaotab pall oma energia, kuid see ei kao, vaid muutub fotosünteesi käigus tekkinud ainete siseenergiaks.

Klorofülli molekulid "töötavad" ainult valgel ajal, kui nähtav valgus neid tabab. Öösiti nad “puhkavad”, vaatamata sellele, et elektromagnetkiirgusest puudust pole: maa ja taimed kiirgavad infrapunavalgust, kuid selles vahemikus olevate kvantide energia on väiksem kui fotosünteesiks vajalik. Taimed on evolutsiooni käigus kohanenud akumuleerima Maa võimsaima energiaallika – Päikese – energiat.

Pärilikkus.(Õpilased vastavad lisa 3 kaardi „Pärilikkus“ küsimustele 1–3). Organismide pärilikud omadused on kodeeritud DNA molekulidesse ja kanduvad põlvest põlve maatriksi teel. Kuidas tekitada mutatsiooni? Millise kiirguse mõjul mutatsiooniprotsess toimub?

Ühe mutatsiooni tekitamiseks on vaja anda DNA molekulile piisavalt energiat, et muuta DNA geeni mõne osa struktuuri. On teada, et γ-kvandid ja röntgenikiirgus, nagu bioloogid ütlevad, väga mutageenne– nende kvantid kannavad piisavalt energiat DNA osa struktuuri muutmiseks. IR-kiirgus ja ilmselt ei saa seda teha, nende sagedus ja seega ka nende energia on liiga madal. Kui elektromagnetvälja energia neelduks mitte portsjonitena, vaid pidevalt, siis suudaksid need kiirgused DNA-d mõjutada, sest organism ise on oma sugurakkude suhtes lähim ja võimsaim, pidevalt töötav allikas. kiirgus.

30ndate alguseks. XX sajand Tänu kvantmehaanika edusammudele tekkis füüsikutel sellise jõu tunne, et nad pöördusid elu enda poole. Geneetikas oli palju sarnasusi. Bioloogid on avastanud diskreetse jagamatu osakese – geeni –, mis võib liikuda ühest olekust teise. Geenikonfiguratsiooni muutusi seostatakse muutustega kromosoomides, mis põhjustavad mutatsioone ja seda osutus võimalikuks seletada kvantkontseptsioonide alusel. Üks molekulaarbioloogia rajajaid, kes pälvis Nobeli preemia bakterite ja bakteriofaagide mutatsiooniprotsesside alase uurimistöö eest, oli saksa teoreetiline füüsik M. Delbrück. 1944. aastal ilmus füüsik E. Schrödingeri lühiraamat “Mis on elu?”. See esitas selgelt ja lühidalt geneetika põhialused ning paljastas seose geneetika ja kvantmehaanika vahel. Raamat andis tõuke füüsikute rünnakule geeni vastu. Tänu Ameerika füüsikute J. Watsoni, F. Cricki ja M. Wilkinsi tööle said bioloogid teada, kuidas kõige elementaarsem "elus" molekul, DNA, on "struktureeritud". Röntgendifraktsioonianalüüs võimaldas seda näha.

VII. Õpetaja. Tulen tagasi küsimuse juurde: mis on valgus? ( Õpilane vastab.) Selgub, et füüsika pöördus tagasi Newtoni valgusosakese – korpuskli – juurde, lükates tagasi idee valgusest kui lainest? Ei! Kogu valguse laineteooria pärandit on võimatu maha kriipsutada! On ju ammu teada difraktsioon, interferents ja paljud teised nähtused, mis eksperimentaalselt kinnitavad, et valgus on laine. Mida ma peaksin tegema? ( Õpilaste hüpoteesid.)

Jääb üle vaid üks asi: kuidagi ühendada laineid osakestega. Tunnistage, et on üks nähtuste ring, kus valgus avaldab laineomadusi, ja on teine ​​ring, milles valguse korpuskulaarne olemus on esikohal. Teisisõnu – kirjuta üles! - valgusel on kvantlaine duaalsus! See on valguse kahetine olemus. Füüsikutel oli väga raske ühendada kaks seni kokkusobimatut ideed üheks. Osake on midagi tahket, muutumatut, kindla suurusega, ruumiliselt piiratud. Laine on midagi vedelat, ebastabiilset ja sellel pole selgeid piire. Enam-vähem selgelt ühendati need ideed lainepaketi kontseptsiooni abil. See on midagi mõlemast otsast "äralõigatud" laine sarnast või pigem laineid, mis liiguvad läbi ruumi ühtse tervikuna. Tromb võib kahaneda või venida olenevalt keskkonnast, kuhu see siseneb. See meenutab lendavat vedrut.

Milline lainepaketi omadus muutub, kui valgus liigub ühest keskkonnast teise? ( Õpilane vastab.)

1927. aastal tegi Ameerika füüsik Lewis ettepaneku nimetada seda lainepaketti footon(kreeka keelest φωτóς [phos, fotod] – ) . Mis on footon? ( Õpilased töötavad õpikuga ja teevad järeldusi.)

Järeldused. Footon on: elektromagnetilise kiirguse kvant osake, mis on paigal, ei eksisteeri vaakumis valguskiirusel; c= 3 10 8 m/s on ühtne tervik ja jagamatu, fotoni murdosa olemasolu on energiaga osakese olemasolu võimatu; E = hν, kus h= 6,63 · 10 -34 J · s; ν on valguse sagedus, impulsiga osake on elektriliselt neutraalne osake.

Maailm on üles ehitatud nii, et valgus näitab meile kõige sagedamini lainelist olemust, kuni me arvestame selle vastasmõju ainega. Ja mateeria ilmub meie ette korpuskulaarsel kujul, kuni hakkame mõtlema aatomitevaheliste sidemete olemuse, ülekandeprotsesside, elektritakistuse jne olemuse üle. Kuid olenemata meie asukohast igal hetkel, on mikroosakesel mõlemad omadused.

Kvantteooria ja eriti valguse kvantteooria loomise protsess on sügavalt dialektiline. Vana, klassikalise mehaanika ja optika ideed ja kujundid, mis on rikastatud uute ideedega, mida loovalt rakendati füüsilises reaalsuses, andsid lõpuks aluse põhimõtteliselt uuele füüsikateooriale.

Harjutus: Lugege ühtsuse ja vastandite võitluse filosoofilist seadust ja tehke järeldus kahe valgusteooria kohta: valguse laine- ja kvantteooria.

VIII. Õpetaja. 1924. aastal avaldas prantsuse füüsik Louis de Broglie (endine sõjaväe raadiotelegrafist) täiesti paradoksaalseid, isegi tollaste vaprate füüsikute jaoks mõtteid aatomiosakeste liikumise olemusest. De Broglie väitis, et elektronide ja teiste osakeste omadused ei erine põhimõtteliselt kvantide omadustest! Sellest järeldub, et elektronidel ja teistel osakestel peaksid olema ka lainelised omadused, et näiteks tuleks jälgida elektronide difraktsiooni. Ja tõepoolest avastati katsetega, et 1927. aastal viisid üksteisest sõltumatult läbi Ameerika füüsikud K.-J. Davisson ja L. Germer, nõukogude füüsik P.S. Tartakovski ja inglise füüsik J.-P. Tomson. De Broglie lainepikkus arvutatakse järgmise valemi abil:

Lahendame ülesandeid de Broglie lainepikkuse arvutamiseks (lisa 4).

Nagu arvutused näitavad, liigub valentselektron aatomi sees kiirusega 0,01 Koos, difrakteerub ioonsel kristallvõrel lainepikkusega ~10 -10 m ja umbes 500 m/s lendava kuuli lainepikkus on umbes 10 -34 m igal viisil ja seetõttu käitub kuul nagu päris osake.

Teaduse algusest peale peetud võitlus mateeria diskreetsuse ja järjepidevuse ideede vahel lõppes mõlema idee ühinemisega elementaarosakeste kaksikomaduste ideesse. Elektronide laineomaduste kasutamine on võimaldanud oluliselt tõsta mikroskoopide lahutusvõimet. Elektroni lainepikkus sõltub kiirusest ja seega ka elektrone kiirendavast pingest (vt lisa 4 ülesannet 5). Enamikus elektronmikroskoopides on de Broglie lainepikkus sadu kordi väiksem kui valguse lainepikkus. Võimalik näha veelgi väiksemaid objekte kuni üksikute molekulideni.

Sündis lainemehaanika, kvantfüüsika suure ehitise alus. De Broglie pani aluse valguse interferentsi ja difraktsiooni teooriale, andis Plancki valemi uue tuletise ning lõi sügava vastavuse osakeste liikumise ja nendega seotud lainete vahel.

Mis tahes teooriat uurides panime alati tähele selle teooria rakendatavuse piire. Kvantteooria rakenduspiirid pole veel paika pandud, kuid selle seaduspärasusi tuleks rakendada mikroosakeste liikumise kirjeldamiseks ruumi väikestes piirkondades ja elektromagnetlainete kõrgetel sagedustel, kui mõõteriistad võimaldavad registreerida üksikuid kvante (energiat). ~10 -16 J). Seega, et kirjeldada aine ja röntgenkiirguse vastasmõju, mille kvantide energia on kaks suurusjärku suurem ülaltoodud piirist, on vaja rakendada kvantfüüsika seadusi ning kirjeldada kvantfüüsika omadusi. raadiolaineid, klassikalise elektrodünaamika seadused on täiesti piisavad. Tuleb meeles pidada, et kvantteooria peamiseks "katsepolügooniks" on aatomi ja aatomituuma füüsika.

Tänase õppetunni lõpetuseks esitan teile veel kord küsimuse: mis on valgus? ( Õpilane vastab.)

Kirjandus

1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B. Füüsika. 11. klass: hariv. üldharidusasutustele: põhi- ja erialane. tasemed. M.: Haridus, 2009.
2. Rahvahariduse videoentsüklopeedia. Lennauchfilm. Videostuudio "Kvart". [Elektrooniline ressurss] Kassett nr 2 “Soojuskiirgus”.
3. Tomilin A.N. Päritolu otsides: teaduslik-pop. väljaanne. L.: Määrat. kirjandus, 1990.
4. Kvantmehaanika. Kvantelektrodünaamika // Encycl. sl. noor füüsik / Koost. V.A. Tšujanov. M.: Pedagoogika, 1984.
5. Koltun M. Füüsikamaailm. M.: Määrat. kirjandus, 1984.
6. Solopov E.F. Filosoofia: õpik. abi õpilastele kõrgemale õpik asutused. M.: Vlados, 2003.
7. Iltšenko V.R. Füüsika, keemia, bioloogia ristteed: raamat. õpilastele. M.: Haridus, 1986.
8. Katz Ts.B. Biofüüsika füüsikatundides: raamat. õpetaja jaoks. M.: Haridus, 1988.

Jelena Stepanovna Uvitskaja– kõrgeima kvalifikatsioonikategooria füüsikaõpetaja, lõpetanud Tula nimelise Riikliku Pedagoogilise Instituudi. L.N. Tolstoi 1977. aastal ja määrati Uuralitesse, väikesesse tööstuslinna Lysvasse, kus ta töötab siiani. Vene Föderatsiooni üldhariduse autöötaja, ülevenemaalise füüsika- ja matemaatikaõpetajate konkursi võitja (Dünastia Fond). Lõpetajad on juba aastaid edukalt sooritanud ühtse riigieksami ja astunud Moskva, Peterburi, Jekaterinburgi ja Permi ülikoolidesse. Kunagi pärast Smaragdtahvelarvuti kohta lugemist tabas mind legendaarse Hermese idee aktuaalsus: iga asi, objekt, protsess meie universumis kannab üksteise ja ühtse terviku tunnuseid. Sellest ajast peale on ta pööranud suurt tähelepanu interdistsiplinaarsetele seostele ja analoogiatele: füüsika ja bioloogia, füüsika ja matemaatika, füüsika ja kirjandus ning nüüd füüsika ja inglise keel. Ta tegeleb õpilastega teadusliku tööga, eriti algklassides: kus elab elekter? Miks on tavaline vesi nii ebatavaline? Milline see on, salapärane tähtede maailm? Peres kasvab kaks poega, mõlemad on lõpetanud Permi Riikliku Tehnikaülikooli. Juunior on insener, vanem karate-do õpetaja, musta vööga, teise daniga, mitmekordne Venemaa meister, Jaapanis maailmameistrivõistlustel osaleja. Õpetaja edu oleks olnud võimatu ilma elektriinsenerist abikaasa abita, kes on koolitanud: katsete väljatöötamist ja läbiviimist, uute seadmete loomist ning lihtsalt tuge ja nõuandeid, mis aitavad erinevates elusituatsioonides.

Kõik taotlused on esitatud . – Ed.

Maxwelli teooria rolli väljendas kõige paremini kuulus füüsik Robert Feynman: „Inimkonna ajaloos (kui me vaatame seda näiteks 10 000 aasta pärast) on 19. sajandi kõige olulisem sündmus kahtlemata Maxwelli avastus. elektrodünaamika seadused. Selle olulise teadusliku avastuse taustal näib Ameerika kodusõda samal kümnendil väikese provintsi vahejuhtumina.

Planck kõhkles kaua, kas valida humanitaar- või füüsika. Kõik Plancki teosed eristuvad graatsilisuse ja ilu poolest. A. Einstein kirjutas nende kohta: “Tema töid uurides jääb mulje, et artistlikkuse nõue on tema loomingu üks peamisi allikaid.”

1935. aastal, kui kvantmehaanika ja Einsteini üldine relatiivsusteooria olid väga noored, tegi mitte nii kuulus nõukogude füüsik Matvei Bronstein 28-aastaselt esimese üksikasjaliku uuringu nende kahe teooria sobitamise kohta kvantteoorias. gravitatsiooni. See "võib-olla kogu maailma teooria", nagu Bronstein kirjutas, võib asendada Einsteini klassikalise gravitatsioonikirjelduse, milles seda nähakse aegruumi kontiinumi kõveratena, ja kirjutada selle ümber kvantkeeles, nagu ülejäänud füüsika.

Bronstein mõtles välja, kuidas kirjeldada gravitatsiooni kvantiseeritud osakeste kaudu, mida nüüd nimetatakse gravitoniteks, kuid ainult siis, kui gravitatsioonijõud on nõrk – see tähendab (üldrelatiivsusteoorias), kui aegruum on nii kergelt kõver, et see on sisuliselt tasane. Kui gravitatsioon on tugev, on olukord täiesti erinev, kirjutas teadlane. "Ilma klassikaliste kontseptsioonide põhjaliku läbivaatamiseta tundub selles valdkonnas peaaegu võimatu ette kujutada gravitatsiooni kvantteooriat."

Tema sõnad olid prohvetlikud. Kaheksakümmend kolm aastat hiljem püüavad füüsikud ikka veel mõista, kuidas aegruumi kõverus avaldub makroskoopilistel skaaladel, mis tuleneb fundamentaalsemast ja oletatavasti kvantpildist gravitatsioonist; See on võib-olla füüsika sügavaim küsimus. Võib-olla kiirendaks Bronsteini helge mõistus selle otsingu protsessi, kui oleks võimalus. Lisaks kvantgravitatsioonile andis ta oma panuse ka astrofüüsikasse ja kosmoloogiasse, pooljuhtide teooriasse, kvantelektrodünaamikasse ning kirjutas mitmeid lastele mõeldud raamatuid. 1938. aastal langes ta Stalini repressioonide alla ja hukati 31-aastaselt.

Täieliku kvantgravitatsiooni teooria otsimise teeb keeruliseks asjaolu, et gravitatsiooni kvantomadused ei avaldu kunagi reaalses kogemuses. Füüsikud ei näe, kuidas rikutakse Einsteini kirjeldust sujuva aegruumi kontiinumi kohta või Bronsteini kvantlähendamist veidi kõveras olekus.

Probleemiks on gravitatsioonijõu äärmine nõrkus. Kui tugevaid, nõrku ja elektromagnetilisi jõude edastavad kvantiseeritud osakesed on nii tugevad, et seovad ainet tihedalt aatomiteks ja neid saab sõna otseses mõttes luubi all uurida, siis üksikud gravitonid on nii nõrgad, et laboritel pole võimalust neid tuvastada. Et gravitoni kinni püüda oleks suur, peaks osakestedetektor olema nii suur ja massiivne, et see mustaks auguks kokku variseb. See nõrkus selgitab, miks on vaja astronoomilisi massikuhjumisi, et mõjutada gravitatsiooni kaudu teisi massiivseid kehasid ja miks me näeme gravitatsiooniefekte tohutul skaalal.

See pole veel kõik. Universum näib alluvat mingisugusele kosmilisele tsensuurile: tugeva gravitatsiooniga piirkonnad – kus aegruumi kõverad on nii teravad, et Einsteini võrrandid lagunevad ning tuleb paljastada gravitatsiooni ja aegruumi kvantloomus – varitsevad alati mustade aukude horisontide taga.

"Isegi paar aastat tagasi valitses üldine üksmeel, et gravitatsioonivälja kvantifitseerimist on tõenäoliselt võimatu mingil viisil mõõta," ütleb Harvardi ülikooli teoreetiline füüsik Igor Pikovsky.

Nüüd on mitmed hiljutised Physical Review Lettersis avaldatud artiklid seda muutnud. Need paberid väidavad, et kvantgravitatsioonini võib olla võimalik jõuda isegi ilma sellest midagi teadmata. Sugato Bose Londoni ülikooli kolledžist ning Chiara Marletto ja Vlatko Vedral Oxfordi ülikoolist pakuvad välja tehniliselt keerulise, kuid teostatava katse, mis võib kinnitada, et gravitatsioon on kvantjõud nagu kõik teisedki, ilma et oleks vaja gravitoni tuvastada. . Miles Blencowe, Dartmouthi kolledži kvantfüüsik, kes selles töös ei osalenud, ütleb, et selline eksperiment võib paljastada nähtamatu kvantgravitatsiooni selge tunnuse – "Cheshire'i kassi naeratuse".

Kavandatava katsega tehakse kindlaks, kas kaks objekti - Bose'i rühm kavatseb kasutada paari mikroteemante - võivad vastastikuse gravitatsioonilise külgetõmbe kaudu üksteisega kvantmehaaniliselt takerduda. Põimumine on kvantnähtus, milles osakesed põimuvad omavahel lahutamatult, jagades ühtset füüsilist kirjeldust, mis määratleb nende võimalikud kombineeritud olekud. (Erinevate võimalike olekute kooseksisteerimist nimetatakse "superpositsiooniks" ja see määratleb kvantsüsteemi.) Näiteks võib paar takerdunud osakesi eksisteerida superpositsioonis, kus osakesel A on 50% tõenäosus pöörlema ​​alt üles ja osake B pöörleb ülalt alla ja 50% tõenäosusega vastupidi. Keegi ei tea ette, millise tulemuse saad osakeste pöörlemissuunda mõõtes, kuid võid kindel olla, et see on ka nende puhul sama.

Autorid väidavad, et kavandatud katses olevad kaks objekti võivad sel viisil takerduda ainult siis, kui nende vahel mõjuv jõud - antud juhul gravitatsioon - on gravitonide vahendatud kvantinteraktsioon, mis võib toetada kvantsuperpositsioone. "Kui katse tehakse ja takerdumine saavutatakse, võime vastavalt tööle järeldada, et gravitatsioon on kvantiseeritud," selgitas Blencowe.

Aja teemant segadusse

Kvantgravitatsioon on nii peen, et mõned teadlased on selle olemasolus kahelnud. Tuntud matemaatik ja füüsik Freeman Dyson (94) on alates 2001. aastast väitnud, et universum võib toetada omamoodi "dualistlikku" kirjeldust, milles "Einsteini üldrelatiivsusteoorias kirjeldatud gravitatsiooniväli oleks puhtalt klassikaline väli ilma igasuguse kvantkäitumiseta". , samas kui kogu aine selles sujuvas aegruumi kontiinumis kvantifitseeritakse osakeste abil, mis järgivad tõenäosuse reegleid.

Dyson, kes aitas välja töötada kvantelektrodünaamikat (aine ja valguse vastastikmõjude teooria) ning on New Jerseys Princetonis asuva Kõrgkoolide Instituudi emeriitprofessor, ei usu, et kvantgravitatsioon on vajalik mustade aukude ligipääsmatute sisemuste kirjeldamiseks. . Ja ta usub ka, et hüpoteetilise gravitoni tuvastamine võib olla põhimõtteliselt võimatu. Sel juhul oleks kvantgravitatsioon tema sõnul metafüüsiline, mitte füüsiline.

Ta pole ainus skeptik. Kuulus inglise füüsik Sir Roger Penrose ja Ungari teadlane Lajos Diosi pakkusid sõltumatult välja, et aegruum ei suuda superpositsioone toetada. Nad usuvad, et selle sujuv, jäik, põhimõtteliselt klassikaline olemus ei lase sellel painduda korraga kaheks võimalikuks teeks – ja just see jäikus viib kvantsüsteemide, nagu elektronide ja footonite, superpositsioonide kokkuvarisemiseni. "Gravitatsiooniline dekoherents" võimaldab nende arvates tekkida ühtset, kindlat klassikalist reaalsust, mida saab tunda makroskoopilisel skaalal.

Võimalus leida kvantgravitatsiooni "naeratus" näib Dysoni argumendi ümber lükkavat. Samuti tapab see gravitatsioonilise dekoherentsi teooria, näidates, et gravitatsioon ja aegruum toetavad tegelikult kvantsuperpositsioone.

Bose ja Marletto ettepanekud ilmusid samaaegselt ja täiesti juhuslikult, kuigi eksperdid märgivad, et need peegeldavad aja vaimu. Eksperimentaalsed kvantfüüsika laborid üle maailma panevad üha suuremaid mikroskoopilisi objekte kvantsuperpositsioonidesse ja optimeerivad protokolle kahe kvantsüsteemi põimumise testimiseks. Kavandatav katse peaks neid protseduure kombineerima, nõudes samal ajal mastaabi ja tundlikkuse edasist parandamist; võib-olla läheb selleks kümme aastat. "Kuid füüsilist ummikteed pole," ütleb Pikovsky, kes uurib ka seda, kuidas saaks laborikatsete abil gravitatsiooninähtusi sondeerida. "Ma arvan, et see on raske, kuid mitte võimatu."

Seda plaani on üksikasjalikumalt kirjeldatud Bose jt töös – Ocean's Eleven Experts for Different Stages of Proposal. Näiteks töötab kaasautor Gavin Morley oma Warwicki ülikooli laboris esimese sammu kallal, proovides panna mikroteemanti kahes kohas kvantsuperpositsiooni. Selleks piirab ta mikroteemandis lämmastikuaatomi, mis asub teemantstruktuuri vaba koha kõrval (nn NV keskus ehk lämmastikuga asendatud vaba koht teemandis) ja laeb seda mikrolaineimpulsiga. NV-keskme ümber pöörlev elektron neelab samaaegselt valgust ja ei tee seda ning süsteem läheb kahe pöörlemissuuna – üles ja alla – kvantsuperpositsioonile nagu tipp, mis pöörleb teatud tõenäosusega päripäeva ja teatud tõenäosusega vastupäeva. Selle superpositsiooni spinniga laetud mikroteemant on allutatud magnetväljale, mis põhjustab ülemise spinni liikumise vasakule ja alumise spinni liikumise paremale. Teemant ise jaguneb kahe trajektoori superpositsiooniks.

Täiseksperimendis teeksid teadlased seda kõike kahe teemandiga – näiteks punase ja sinise –, mis asetaksid kõrvuti ülikülmas vaakumis. Kui neid hoidev lõks on välja lülitatud, kukuvad kaks mikroteemanti, kumbki kahes asendis superpositsioonis, vaakumis vertikaalselt. Kui teemandid langevad, tunnevad nad igaühe raskust. Kui tugev on nende gravitatsioonitõmme?

Kui gravitatsioon on kvantjõud, on vastus: see sõltub. Sinise teemandi superpositsiooni iga komponent kogeb tugevamat või nõrgemat külgetõmmet punase teemandi poole, olenevalt sellest, kas viimane asub superpositsiooni harus, mis on lähemal või kaugemal. Ja gravitatsioon, mida punase teemandi superpositsiooni iga komponent tunneb, sõltub samamoodi sinise teemandi olekust.

Igal juhul mõjutab teemandi superpositsioonide arenevaid komponente erineva raskusastmega gravitatsiooniline külgetõmme. Need kaks teemanti muutuvad üksteisest sõltuvaks, kuna nende olekuid saab määrata ainult kombinatsioonis - kui see seda tähendab -, nii et lõpuks korreleeruvad kahe NV-keskmete süsteemi pöörlemissuunad.

Pärast seda, kui mikroteemandid kukuvad kõrvuti kolm sekundit – piisavalt kaua, et takerduda gravitatsiooniga – läbivad nad teise magnetvälja, mis viib iga superpositsiooni oksad uuesti kokku. Katse viimane etapp on Taani füüsiku Barbara Therali ja teiste poolt välja töötatud takerdumise tunnistaja protokoll: sinised ja punased teemandid sisenevad erinevatesse seadmetesse, mis mõõdavad NV-kesksüsteemide pöörlemissuundi. (Mõõtmine põhjustab superpositsioonide kokkuvarisemist teatud olekutesse.) Seejärel võrreldakse kahte tulemust. Katse ikka ja jälle läbi tehes ja paljusid spinnimõõtmiste paare võrdledes saavad teadlased kindlaks teha, kas kahe kvantsüsteemi spinnid korreleerusid tegelikult sagedamini kui ülempiir objektide puhul, mis pole kvantmehaaniliselt takerdunud. Kui jah, siis tegelikult takerdub gravitatsioon teemandid ja võib toetada superpositsioone.

"Selle katse juures on huvitav see, et te ei pea teadma, mis on kvantteooria," ütleb Blencowe. "Kõik, mida on vaja, on öelda, et sellel piirkonnal on mingi kvantaspekt, mida vahendab kahe osakese vaheline jõud."

Tehnilisi raskusi on palju. Suurim objekt, mis oli varem kahes kohas superpositsiooni pandud, oli 800-aatomiline molekul. Iga mikroteemant sisaldab rohkem kui 100 miljardit süsinikuaatomit – piisav, et koguneda märgatav gravitatsioonijõud. Selle kvantmehaanilise olemuse lahtipakkimine nõuab madalat temperatuuri, sügavat vaakumit ja täpset juhtimist. "Algse superpositsiooni käivitamine ja käivitamine nõuab palju tööd," ütleb Peter Barker, kes on laserjahutuse ja mikroteemantide püüdmise tehnikaid täiustava eksperimentaalse meeskonna liige. Kui seda saaks teha ühe teemandiga, lisab Bose: "teine ​​poleks probleem."

Mis on gravitatsioonis ainulaadne?

Kvantgravitatsiooni uurijad ei kahtle, et gravitatsioon on kvantinteraktsioon, mis võib põhjustada takerdumist. Muidugi on gravitatsioon mõnevõrra ainulaadne ning ruumi ja aja päritolu kohta on veel palju õppida, kuid kvantmehaanika peaks kindlasti olema kaasatud, väidavad teadlased. "Tõesti, mis mõte on teoorial, kus suurem osa füüsikast on kvant- ja gravitatsioon klassikaline," ütleb MIT-i kvantgravitatsiooni uurija Daniel Harlow. Teoreetilised argumendid kombineeritud kvantklassikaliste mudelite vastu on väga tugevad (kuigi mitte lõplikud).

Teisest küljest on teoreetikud varemgi eksinud. "Kui saate seda kontrollida, siis miks mitte? Kui see vaikib need inimesed, kes seavad kahtluse alla gravitatsiooni kvantloomuse, oleks see suurepärane, ”ütleb Harlow.

Pärast paberite lugemist kirjutas Dyson: "Kavandatud katse pakub kindlasti suurt huvi ja see tuleb läbi viia tõelise kvantsüsteemi tingimustes." Samas märgib ta, et autorite mõttekäigud kvantväljade kohta erinevad tema omast. "Mulle pole selge, kas see eksperiment suudab lahendada kvantgravitatsiooni olemasolu küsimuse. Küsimus, mille esitasin – kas vaadeldakse ühte gravitoni – on erinev küsimus ja sellele võib olla erinev vastus.

Bose, Marletto ja nende kolleegide mõttekäik kvantiseeritud gravitatsioonist tuleneb Bronsteini tööst juba 1935. aastal. (Dyson nimetas Bronsteini tööd "ilusaks teoseks", mida ta polnud varem näinud). Eelkõige näitas Bronstein, et väikese massi tekitatud nõrka gravitatsiooni saab lähendada Newtoni gravitatsiooniseadusega. (See on jõud, mis toimib mikroteemantide superpositsioonide vahel). Blencowe sõnul pole nõrga kvantiseeritud gravitatsiooni arvutusi eriti tehtud, kuigi need on kindlasti asjakohasemad kui mustade aukude või Suure Paugu füüsika. Ta loodab, et uus eksperimentaalne ettepanek julgustab teoreetikuid otsima Newtoni lähenduses peeneid täpsustusi, mida tulevased lauakatsed võiksid katsetada.

Stanfordi ülikooli tunnustatud kvantgravitatsiooni ja stringiteoreetik Leonard Susskind nägi kavandatud katse väärtust, kuna "see pakub gravitatsioonivaatlusi uues masside ja kauguste vahemikus". Kuid tema ja teised teadlased rõhutasid, et mikroteemandid ei suuda kvantgravitatsiooni ega aegruumi täieliku teooria kohta midagi paljastada. Tema ja ta kolleegid tahaksid mõista, mis toimub musta augu keskel ja Suure Paugu hetkel.

Võib-olla on üks vihje, miks gravitatsiooni kvantifitseerimine on palju raskem kui miski muu, see, et teistel loodusjõududel on nn lokaalsus: kvantosakesed välja ühes piirkonnas (näiteks fotonid elektromagnetväljas) on "sõltumatud teised füüsilised üksused teises ruumipiirkonnas," ütleb Briti Columbia ülikooli kvantgravitatsiooni teoreetik Mark van Raamsdonk. "Kuid on palju teoreetilisi tõendeid selle kohta, et gravitatsioon nii ei tööta."

Kvantgravitatsiooni parimates liivakastimudelites (lihtsustatud aegruumi geomeetriaga) on võimatu eeldada, et aegruumi kanga lint on jagatud iseseisvateks kolmemõõtmelisteks tükkideks, ütleb van Raamsdonk. Selle asemel viitab kaasaegne teooria, et ruumi aluseks olevad põhikomponendid on "pigem korraldatud kahemõõtmeliselt". Ajaruumi kangas võib olla nagu hologramm või videomäng. "Kuigi pilt on kolmemõõtmeline, salvestatakse teave kahemõõtmelisele arvutikiibile." Sel juhul oleks kolmemõõtmeline maailm illusioon selles mõttes, et selle erinevad osad pole nii iseseisvad. Videomängude analoogia kohaselt võivad kahemõõtmelise kiibi mõned bitid kodeerida kogu mänguuniversumi globaalseid funktsioone.

Ja see erinevus on oluline, kui proovite luua gravitatsiooni kvantteooriat. Tavaline lähenemine millegi kvantiseerimiseks on tuvastada selle sõltumatud osad – näiteks osakesed – ja seejärel rakendada neile kvantmehaanika. Kuid kui te ei määratle õigeid komponente, saate lõpuks valede võrranditega. Kolmemõõtmelise ruumi otsene kvantimine, mida Bronstein teha tahtis, toimib teatud määral nõrga gravitatsiooniga, kuid osutub kasutuks, kui aegruum on väga kõver.

Mõned eksperdid väidavad, et kvantgravitatsiooni "naeratuse" tunnistamine võib tekitada motivatsiooni selliseks abstraktseks arutluskäiguks. Eksperimentaalsed faktid ei toeta ju ka kõige valjemaid teoreetilisi argumente kvantgravitatsiooni olemasolu kohta. Kui van Raamsdonk teaduslikul kollokviumil oma uurimistööd selgitab, algab see tema sõnul tavaliselt looga sellest, kuidas gravitatsioon tuleb kvantmehaanikaga ümber mõelda, sest klassikaline aegruumi kirjeldus laguneb mustade aukude ja Suure Pauguga.

"Kuid kui teete selle lihtsa katse ja näitate, et gravitatsiooniväli oli superpositsioonis, ilmneb klassikalise kirjelduse ebaõnnestumine. Sest toimub eksperiment, mis viitab sellele, et gravitatsioon on kvant."

Ajakirja Quanta materjalide põhjal

Tunni eesmärgid:

Haridus: kujundada õpilastes ettekujutus fotoelektrilisest efektist ja uurida selle seadusi, millele see allub; testige fotoelektrilise efekti seadusi virtuaalse katse abil.

Arendav: arendada loogilist mõtlemist.

Hariduslik: seltskondlikkuse (suhtlemisoskuse), tähelepanu, aktiivsuse, vastutustunde edendamine, aine vastu huvi tekitamine.

Tundide ajal

I. Organisatsioonimoment.

– Tänase tunni teemaks on “Fotoefekt”.

Seda huvitavat teemat käsitledes jätkame rubriigi “Kvantfüüsika” uurimist, püüame välja selgitada, millist mõju avaldab valgus ainele ja millest see mõju sõltub. Kuid kõigepealt vaatame üle viimases õppetükis käsitletud materjali, ilma milleta on fotoefekti keerukusest raske aru saada. Viimases tunnis vaatasime Plancki hüpoteesi.

Kui suur on minimaalne energiahulk, mida süsteem suudab väljastada ja neelata? (kvant)

Kes tutvustas esmakordselt teaduses mõistet "energiakvant"? (M. Planck)

Seletus selle kohta, milline eksperimentaalne sõltuvus aitas kaasa kvantfüüsika tekkele? (kuumutatud tahkete ainete kiirguse seadus)

Mis värvi me näeme täiesti mustas kehas? (mis tahes värv sõltuvalt temperatuurist)

III. Uue materjali õppimine

20. sajandi alguses sündis kvantteooria - elementaarosakeste ja neist koosnevate süsteemide liikumise ja vastastikmõju teooria.

Soojuskiirguse seaduspärasuste selgitamiseks pakkus M. Planck välja, et aatomid kiirgavad elektromagnetilist energiat mitte pidevalt, vaid eraldi portsjonitena – kvantidena. Iga sellise osa energia määratakse valemiga E = h, Kus
-Plancki konstant; v on valguslaine sagedus.

Veel üks kvantteooria õigsuse kinnitus oli Albert Einsteini selgitus 1905. aastal. nähtus fotoelektriline efekt

Fotoefekt– elektronide väljapaiskumine tahketest ja vedelatest ainetest valguse mõjul.

FOTOEFEKTI tüübid:

1. Väline fotoelektriline efekt on elektronide emissioon aine poolt elektromagnetkiirguse mõjul. Välist fotoelektrilist efekti täheldatakse tahketes ainetes ja ka gaasides.

2. Sisemine fotoelektriline efekt on elektromagnetkiirgus, mis põhjustab juhi või dielektriku sees olevate elektronide üleminekut seotud olekutest vabadesse, ilma et see välja pääseks.

3. Valve fotoelektriline efekt - foto välimus - emf. kahe erineva pooljuhi või pooljuhi ja metalli kontakti valgustamisel.

Fotoelektriline efekt avastas 1887. aastal saksa füüsik G. Hertz ja aastatel 1888–1890 uuris seda eksperimentaalselt A. G. Stoletov. Kõige täielikuma fotoelektrilise efekti nähtuse uurimise viis läbi F. Lenard 1900. aastal. Selleks ajaks oli elektron juba avastatud (1897, J. Tomson) ja sai selgeks, et fotoelektriline efekt (õigemini väline fotoelektriline efekt) seisneb elektronide väljutamises ainest sellele langeva valguse mõjul.

Fotoelektrilise efekti uurimine.

Esimesi fotoelektrilise efekti katseid alustas Stoletov juba 1888. aasta veebruaris.

Katsetes kasutati kahe metallelektroodiga klaasist vaakumpudelit, mille pind puhastati põhjalikult. Elektroodidele pandi veidi pinget U, mille polaarsust saab muuta topeltvõtmega. Üks elektroodidest (katood K) valgustati läbi kvartsakna teatud lainepikkusega monokromaatilise valgusega. Pideva valgusvoo korral võeti fotovoolu tugevuse sõltuvus I rakendatud pingest.

Fotoelektrilise efekti seadused

Küllastuse fotovool on otseselt võrdeline langeva valgusvooga.

fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.

Iga aine jaoks on määratud minimaalne sagedus, mida nimetatakse fotoelektrilise efekti punaseks piiriks, millest allpool fotoelektrilist efekti on võimatu saavutada.

M. Plancki hüpoteesi kohaselt koosneb elektromagnetlaine üksikutest footonitest ja kiirgus toimub katkendlikult – kvantides, footonites. Seega peab valguse neeldumine toimuma ka katkendlikult – footonid kannavad oma energia üle kogu aine aatomitele ja molekulidele.

- Einsteini võrrand fotoelektrilise efekti jaoks

mv 2 /2 = eU 0 – fotoelektroni kineetilise energia maksimaalne väärtus;

– valguse minimaalne sagedus, mille juures on võimalik fotoelektriline efekt;

V max = hc/ Aout – maksimaalne valgussagedus, mille juures on võimalik fotoelektriline efekt

- punane fotoefekti ääris

- footoni impulss

Vestlus mõistete ja mõistete täpsustamisega.

Valguse mõjul elektrone kiirgava aine nähtust nimetatakse...

Aine pinnalt valguse poolt 1 sekundi jooksul kiiratavate elektronide arv on otseselt võrdeline...

Fotoelektronide kineetiline energia suureneb lineaarselt ...-ga ja ei sõltu ...

Iga aine jaoks on minimaalne valguse sagedus, mille juures on fotoelektriline efekt siiski võimalik. Seda sagedust nimetatakse ...

Tööd, mida on vaja teha elektronide eemaldamiseks aine pinnalt, nimetatakse...

Einsteini võrrand fotoelektrilise efekti jaoks (formulatsioon)…

IV. Teadmiste kinnistamine ja üldistamine.

Ülesanne 1. Mis on madalaim valguse sagedus, mille juures fotoelektrilist efekti veel täheldatakse, kui metallist pärineva elektroni tööfunktsioon on 3,3 * 10 -19 J?

2. ülesanne. Määrata nähtava spektri pikimale ja lühemale lainele vastava footoni energia, mass ja impulss?

Lahendus:

Probleem 3. Leida kaaliumi fotoelektrilise efekti lävi, kui tööfunktsioon A = 1,32 EV?

Lahendus:

Einsteini võrrandis

Kasutades üleskirjutatud valemeid, lahendage järgmised ülesanded omapäi.

Plaadimaterjali tööfunktsioon on 4 eV. Plaat on valgustatud monokromaatilise valgusega. Kui suur on langeva valguse footonite energia, kui fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia on 2,5 eV?

Nikkelplaat puutub kokku elektromagnetkiirgusega, mille footoni energia on 8 eV. Sel juhul kiirguvad plaadilt fotoelektrilise efekti tulemusena elektronid maksimaalse energiaga 3 eV. Mis on niklist pärinevate elektronide tööfunktsioon?

Footonite voog energiaga 12 eV lööb metallist välja fotoelektronid, mille maksimaalne kineetiline energia on 2 korda väiksem tööfunktsioonist. Määrake antud metalli tööfunktsioon.

Elektroni tööfunktsioon metallist. Leidke kiirguse maksimaalne lainepikkus, mis võib elektrone välja paisata.

Määrake metallist pärit elektronide tööfunktsioon, kui fotoefekti punane piir on 0,255 µm.

Mõne metalli puhul on fotoefekti punaseks piiriks valgus sagedusega . Määrake kineetiline energia, mille elektronid omandavad lainepikkusega kiirguse mõjul

Valmistage ette ettekanne teemal "Fotoelektrilise efekti rakendamine"

VKontakte Facebook Odnoklassniki

Kui suure energiaga osakesed põrkajal interakteeruvad, tekib tohutul hulgal erinevaid osakesi

Seda protsessi nimetatakse mitmekordseks tootmiseks ja selle erinevaid omadusi ennustatakse tugevate interaktsioonide teooria – kvantkromodünaamika (QCD) – abil. Kuid hiljutiste sarnaste katsete tulemused LHC-s (Large Hadron Collider) ei lange kokku mudelite ennustustega, mis põhinevad varasemate katsete tulemustel teistes kiirendites. Bristoli ülikooli professor ja üks juhtivaid eksperte mitme osakese tootmise uurimise vallas Nick Brooke rääkis Ginzburgi konverentsil selle lahknevuse võimalikest põhjustest ja uue eksperimentaalse suure energiaga füüsika avanevatest horisontidest.

LHC-s toimuva kahe eksperimentaalse projekti tehnika sobib ideaalselt sündinud osakeste tuvastamiseks. Need on projekt ALICE (A Large Ion Collider Experiment), mis on optimeeritud raskete ioonide kokkupõrgete uurimiseks, ja LHCb, mille eesmärk on uurida B-mesoneid - osakesi, mis sisaldavad "ilusat" kvarki. Ja teave osakeste sünni kohta on vajalik alus QCD edasiseks arenguks. Nick Brooke kommenteerib: „Täheldatud osakeste jaotused iseloomustavad aine hadronilist olekut ja on tundlikud prootoni-prootoni interaktsioonide aluseks oleva kvantkromodünaamika suhtes. ALICE, ATLAS ja CMS on juba mõõtnud osakeste jaotust keskses interaktsiooni piirkonnas ning LHCb geomeetria võimaldab meil jälgida kokkupõrke dünaamikat kaugemas piirkonnas. See annab meile väga vajalikku teavet mudelite väljatöötamiseks ja Monte Carlo sündmuste generaatorite täiustamiseks.

Kvantkromodünaamika tekkis eelmise sajandi 70ndatel mikroskoopilise teooriana, mis kirjeldab tugevat vastasmõju subhadroni skaaladel, mis hõlmab kvarke, gluuone ja neist koosnevaid osakesi – hadroneid, sealhulgas tugeva interaktsiooniga seotud aatomituuma prootoneid ja neutroneid. Kvantkromodünaamika põhipostulaat määrab kõigile kvarkidele spetsiaalse kvantarvu, mida nimetatakse värvilaenguks või värviks. Sellisel tuttaval sõnal pole tavaliste optiliste omadustega midagi pistmist, kuid see rõhutab lakooniliselt tõsiasja, et looduses leidub kvarke ainult värvitute kombinatsioonidena – hadronitena, mis koosnevad kolmest kvargist (meenutagem analoogiat: punane, roheline ja sinine). liita kuni valge) või gluoonid kvargist ja antikvargist antivärviga.

QCD ennustused mitme osakese tootmise parameetrite kohta on antud kas analüütilisel kujul või arvuliste arvutiarvutustena, kasutades Monte Carlo mudeleid, mida saab üksikasjalikult võrrelda eksperimentaalsete andmetega. Neid mudeleid nimetatakse sündmuste generaatoriteks selles mõttes, et teatud nähtuste esinemise tõenäosust nendes arvutiarvutustes peetakse võrdeliseks vastava sündmuse tõenäosusega reaalses maailmas. Kõik need mudelid töötasid hästi kooskõlas varasemate katsetega teistes kiirendites ja neil oli isegi teatav ennustamisjõud, kuid need ei lange veel kokku LHC-s saadud uute tulemustega.

FIANi professor ja kõrgenergiafüüsika sektori juhtivteadur Andrei Leonidov kommenteerib: "Suure energiaga mitme tootmise uurimine on üks põhilisi füüsikalisi probleeme ja Brooki aruanne oli pühendatud LHC-s kogutud eksperimentaalsele teabele. põrkur. Seal on tekkinud väga huvitav olukord: olemasolevad mudelid ei kirjelda paljusid sündmuste olulisi omadusi. Nende tüüpiline disain ühendab kuidagi pehmete hadroonjoadide ja kõva hadroonkiirguse füüsika ning nad ise kalibreeriti edukalt kirjeldama eelmist kiirendit FNAL. Selle tulemusena ei olnud selles aruandes sõna otseses mõttes ühtegi graafikut, mille teooria kattuks uue katsega. See tähendab, et paljusid mitmike sünni omadusi ei kirjelda tänapäeva mudelid üldse.

Professor Brook rääkis seega lahknevustest ennustuste ja tegelike andmete vahel nende koostises “kummaliste” kvarkidega osakeste tekke või barüoonse ja antibarüoonilise aine vahekorra rikkumiste kohta. Kuid kõik need ebakõlad, nagu Brook rõhutas, annavad teadlastele ainult vabad käed ja näitavad taas QCD keerulist struktuuri. Lõppude lõpuks võivad uued andmed aidata parandada sündmuste generaatorite mudeleid, pehmete osakeste tootmist, mitme osakese kokkupõrkeid ja paljusid muid nähtusi.

Inglise füüsiku optimismiga nõustub ka Andrei Leonidov: „Kõik varasemad mudelid uutes katsetes on end erineval määral ebaedukad näidanud ja see loob huvitava õppevälja. Kuid need samad mudelid pandi kokku põhjusel: see on parim, mida inimkond sellel teemal pakkuda suudab. See ei ole nii, et mõned provintsi inimesed kirjutasid sinna midagi ja seda kasutatakse kogemata LHC-s. LHC kasutab parimat saadaolevat ja see parim ei tööta veel hästi. Ja see teema on väga oluline, sest põrkeris toimub pidevalt mitu sünniprotsessi. Need on domineerivad ja suure läbilõikega protsessid, mis potentsiaalselt mõjutavad kõiki teisi protsesse ja määravad nende tausta. Pealegi on see põhiline ja huvitav. Nii et kurb pole midagi, ootame uusi tulemusi!”

Kui suure energiaga osakesed põrkuvad, täheldatakse uute osakeste mitmekordset teket