Выбор темы данной работы обусловлен тем, что не только по типовой программе, но и в физико-математических классах элементы квантовой физики рассматривается весьма односторонне. Известно, что атомная физика по школьным программам даже в физико-математических классах изучается на уровне теории Бора, которая рассматривается в объеме постулатов. Более того логического перехода от классической волновой оптики (интерференция, поляризация, дифракция и т.д.) к квантовой оптике практически нет, так как в школьном курсе подробно рассматривается только фотоэффект, давление света, вводится характеристики фотонов (масса, импульс, энергия). В то же время понятно, что без анализа теплового излучения и комптоновского рассеяния этот переход к квантовой оптике просто не возможен.
История вопроса такова, что для объяснения фотоэффекта Эйнштейн выдвинул гипотезу о том, что свет поглощается телом не непрерывно, а порциями – квантами. Однако, это идея была вторичной, т. к. квантовая физика началась с гипотезы Планка о квантовом характере испускания света, без которой невозможен анализ теплового излучения тел.
При рассмотрении теплового излучения сначала вводятся основные характеристики теплового излучения тел (энергетическая светимость, излучательная способность и поглощательная способность), закон Кирхгофа, температурные законы излучения (Стефана-Больцмана и Вина), как экспериментальные.
Анализируются и сравниваются экспериментальные и теоретические зависимости излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны на уровне классической, т.е. волновой оптики, которые противоречат друг другу в области коротких длин волн; в физике это расхождение получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Только квантовая теория дает возможность согласовать теорию и эксперимент. И, наконец, очень важную роль в развитии представлении о фотонах, как некоторых элементарных частиц, сыграли опыты американского физика А.Х. Комптона, в которых было показано, что фотоны при соударениях со свободными электронами ведут себя, как частицы с определенными энергией и импульсом. То есть, взаимодействие жестких g-квантов с практически свободными электронами, как результат их упругого соударения, логически завершает корпускулярную теорию света.
Известно, что свет давит на поверхность тела на которое падает (опыты Лебедева). Этот факт (один из немногих), который можно объяснить и с точки зрения волновой, и с точки зрения корпускулярной теории света.
В классической физике свет – электромагнитная волна, т. е. он представляет собой совокупность переменных электрического и магнитного полей, которые перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны к скорости волны. Электрическое поле световой волны создает в веществе ток проводимости, а магнитное поле действует на него с силой Ампера.
Если рассматривать световую волну, как совокупность частиц – фотонов, то свет давит на поверхность тела по той же причине, по какой газ давит на стенки сосуда, в котором находится. Фотоны передают телу свой импульс. Интересно отметить, что и эксперимент, и волновая теория света, и корпускулярная теория дают один и тот же результат.
В 1924 году де-Бройль выдвинул гипотезу о том, что волновыми свойствами обладают и свободные электроны. Т. о. на основании анализа теплового излучения тел, фотоэффекта и давления можно сделать вывод о том, что свет – это совокупность частиц – фотонов, которые обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами, в чем заключается «корпускулярно-волновой дуализм».
Возникает вопрос, почему корпускулярно-волновой дуализм присущ только фотонам?
Де-Бройль предположил, что и с потоком свободных электронов связан некоторый волновой процесс, который оказывает влияние на поведение электронов и обуславливает целый ряд их свойств, не совместимых со свойствами квантов. Де-Бройль не установил, какой именно волновой процесс связан с электронами, но указал, как может быть определено значение длины волны этого волнового процесса:
Волны де-Бройля не являются электромагнитными и не имеют аналогии среди всех видов волн, изучаемых в классической физике. Формула де-Бройля – одно из основных, фундаментальных соотношений квантовой механики.
Гипотеза де-Бройля получила экспериментальное подтверждение в целом ряде опытов, обнаруживших дифракционные явления при взаимодействии пучков частиц (электронов, нейтронов, атомов и молекул) с веществом, но в школьном курсе физики рассматривается только теория вопроса.
Вообще говоря, волновые свойства присущи всем телам, в том числе и макроскопическим. Однако, у макроскопических тел при обычных скоростях их движений длина волны де-Бройля оказывается столь малой, что ни в каком эксперименте обнаружить их волновые свойства невозможно.
В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 году к выводу, что объект микромира невозможно одновременно с любой наперед задней точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрообъект не может иметь одновременно и определенные координаты (x, y, z), и определенные соответствующие проекции импульса (px, py, pz).
Из соотношения неопределенностей следует, что, например, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то в этом состоянии соответствующая проекция ее импульса оказывается совершенно неопределенной, и наоборот. Таким образом, для микрочастицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. Отсюда вытекает и фактическая невозможность одновременно с любой наперед заданной точностью измерить координату и импульс микрообъекта.
Трудно себе представить, как можно было столь сложный материал сделать доступным для школьников без использования интерактивных средств и технологии.
