Обложка

37. Вълнови Свойства на Частиците

Избери решение на задача:

Задача 1 (безплатна)

Кратко решение

Разделителната способност се определя от дифракционната граница: \[ d_{min} \sim \lambda \] За оптичен микроскоп (видима светлина): \[ \lambda_{\text{светлина}} \approx 400 - 700 \text{ nm} \] За електронен микроскоп с ускорени електрони (вълни на Дьо Бройл): \[ \lambda_e = \frac{h}{mv} = \frac{h}{\sqrt{2m_e e U}} \approx 0,01 - 0,1 \text{ nm} \] Тъй като \( \lambda_e \ll \lambda_{\text{светлина}} \), дифракционното ограничение \( d_{min} \) при електронните микроскопи е многократно по-малко, което осигурява значително по-голяма разделителна способност.

Подробно решение

1. Идентифициране на физичния принцип на разделителната способност

Разделителната способност на всеки оптичен или микроскопски уред е ограничена от явлението дифракция на вълните. Минималният размер на детайлите, които могат да се различат, е правопропорционален на дължината на вълната на използваното лъчение: \[ d_{min} \sim \lambda \] Колкото по-малка е дължината на вълната \( \lambda \), толкова по-малки обекти могат да се наблюдават и съответно толкова по-голяма е разделителната способност.

2. Сравнение между дължините на вълните

При оптичните микроскопи се използва видима светлина с дължина на вълната: \[ \lambda_{\text{светлина}} \approx 400 \text{ nm} - 700 \text{ nm} \] При електронните микроскопи се използват ускорени електрони, които според хипотезата на Дьо Бройл притежават вълнови свойства с дължина на вълната: \[ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{\sqrt{2m_e e U}} \] При стандартни ускоряващи напрежения дължината на вълната на Дьо Бройл за електроните е от порядъка на: \[ \lambda_e \sim 0,01 \text{ nm} - 0,1 \text{ nm} \]

3. Извод и заключение

Тъй като дължината на вълната на електроните \( \lambda_e \) е десетки хиляди пъти по-малка от дължината на вълната на видимата светлина \( \lambda_{\text{светлина}} \), дифракционните ограничения при електроните настъпват при значително по-малки размери. Поради това електронните микроскопи могат да различават много по-дребни детайли и притежават много по-голяма разделителна способност от оптичните.

Кратък запис на решението:

\( d_{min} \sim \lambda \) \( \lambda_{\text{светлина}} \approx 400 - 700 \text{ nm} \) \( \lambda_e = \frac{h}{\sqrt{2m_e e U}} \approx 0,01 - 0,1 \text{ nm} \) Тъй като \( \lambda_e \ll \lambda_{\text{светлина}} \), дифракционният лимит е по-малък и разделителната способност е по-голяма.

Най-важното от урока

Хипотеза на Дьо Бройл: Всяка движеща се частица има и вълнови свойства.
Дължина на вълната: Изчислява се по формулата \(\lambda = \frac{h}{mv}\), където \(p=mv\) е импулсът на частицата.
Ключова зависимост: Колкото по-малка е масата на частицата, толкова по-голяма е дължината на вълната ѝ и толкова по-ясно изразени са вълновите ѝ свойства.
Доказателство: Опитът на Дейвисън и Джърмър, при който се наблюдава дифракция на електрони, потвърждава вълновата им природа.
Френският физик Луи дьо Бройл предполага, че всяка движеща се частица (електрон, протон, атом и др.) притежава и вълнови свойства. Този принцип е известен като корпускулярно-вълнов дуализъм – материята проявява свойства както на частица, така и на вълна.
Геометричен портрет на Луи дьо Бройл, съставен от опростени линии и основни форми. Изображението включва стилизиран контур на глава и рамене, ориентиран в профил. Около него са разположени символични елементи, илюстриращи корпускулярно-вълновия дуализъм: няколко плавни синусоидални вълни, които постепенно преминават в редица от малки кръгове или точки, представящи частици. Името 'Луи дьо Бройл' е изписано отчетливо до или под портрета. Допълнително може да бъде включена формулата \(\lambda = h/mv\) като текстов елемент, разположен така, че да не пречи на основната композиция.
Вълновите свойства са значими само за микрочастици (с много малка маса). При макроскопични обекти (като прашинка или топка) дължината на вълната е толкова малка, че е практически ненаблюдаема.
Защо при фотоефекта светлината се разглежда като поток от частици (фотони), а при дифракция – като вълна?
Отговор: Това илюстрира корпускулярно-вълновия дуализъм. При взаимодействие с материя (фотоeфект) светлината проявява свойства на частица, а при разпространението си (дифракция, интерференция) – свойства на вълна.
На всяка частица с маса \(m\), движеща се със скорост \(v\), съответства вълна с дължина \(\lambda\), наречена дължина на вълната на Дьо Бройл.
\[ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv} \] където \(h \approx 6,63 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}\) е константата на Планк, а \(p=mv\) е импулсът на частицата.
Да се изчисли дължината на вълната на Дьо Бройл за електрон (\(m_e = 9,11 \cdot 10^{-31}\) kg), движещ се със скорост \(v = 2 \cdot 10^6\) m/s. \[ \lambda = \frac{6,63 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}}{(9,11 \cdot 10^{-31} \text{ kg}) \cdot (2 \cdot 10^6 \text{ m/s})} \approx 3,64 \cdot 10^{-10} \text{ m} = 0,364 \text{ nm} \]
Протон и електрон се движат с еднаква скорост. Коя частица има по-голяма дължина на вълната на Дьо Бройл?
Отговор: Електронът. Дължината на вълната \(\lambda\) е обратнопропорционална на масата (\(\lambda \propto 1/m\)). Тъй като електронът има много по-малка маса от протона, неговата дължина на вълната на Дьо Бройл ще бъде по-голяма.
През 1927 г. Дейвисън и Джърмър доказват експериментално хипотезата на Дьо Бройл, като наблюдават дифракция на електрони при разсейването им от кристална решетка.
{Портрет на американските физици Клинтън Дейвисън и Лестър Джърмър в тяхната лаборатория през 20-те години на миналия век. Те са изобразени до експерименталната установка, която използват за наблюдаване на дифракция на електрони. Установката включва електронен пистолет, насочен към никелов кристал, и детектор за измерване на разсеяните електрони. Дейвисън и Джърмър внимателно разглеждат показанията или обсъждат резултатите от опита, който доказва вълновите свойства на електроните.}
Дифракционната картина, получена от електрони, е аналогична на тази от рентгенови лъчи със същата дължина на вълната. Това е убедително доказателство за вълновата природа на електроните и другите частици.
Илюстрация, сравняваща две идентични дифракционни картини, показани в два отделни, странично разположени панела, означени като (а) и (б). Панел (а) ('Рентгенови лъчи') представя дифракционна картина от рентгенови лъчи като поредица от няколко концентрични, идеално кръгли пръстена, които стават по-широки и по-бледи към външния край, с ясен централен максимум. Панел (б) ('Електрони') представя дифракционна картина от електрони, която е визуално абсолютно идентична с тази в панел (а), включваща същите концентрични кръгли пръстени със същата подредба, размер и интензивност, за да се подчертае вълновата природа на електроните и тяхната аналогия с рентгеновите лъчи при еднаква дължина на вълната.
Кое вълново явление е в основата на експеримента на Дейвисън и Джърмър?
Отговор: Дифракция – характерно вълново явление, при което вълните се отклоняват при преминаване през препятствия или отвори, съизмерими с тяхната дължина.
Дължината на вълната на Дьо Бройл може да се изрази чрез кинетичната енергия на частицата \(E_k = \frac{mv^2}{2}\) или чрез ускоряващото напрежение \(U\) за заредени частици (като електрони).
За частица с кинетична енергия \(E_k\): \[ \lambda = \frac{h}{\sqrt{2mE_k}} \]
За електрон, ускорен с напрежение \(U\): \[ \lambda = \frac{h}{\sqrt{2m_e eU}} \] където \(e = 1,6 \cdot 10^{-19}\) C е елементарният електричен заряд.
Използвани са електрони, ускорени от напрежение \(U = 67\) V. Дължината на вълната им е: \[ \lambda = \frac{6,63 \cdot 10^{-34}}{\sqrt{2(9,11 \cdot 10^{-31})(1,6 \cdot 10^{-19})(67)}} \approx 1,5 \cdot 10^{-10} \text{ m} = 0,15 \text{ nm} \]
Как ще се промени дължината на вълната на Дьо Бройл на един електрон, ако кинетичната му енергия се увеличи 4 пъти?
Отговор: Ще намалее 2 пъти. Дължината на вълната е обратнопропорционална на корен квадратен от енергията (\(\lambda \propto 1/\sqrt{E_k}\)). Ако \(E_k\) се увеличи 4 пъти, \(\sqrt{E_k}\) ще се увеличи 2 пъти, следователно \(\lambda\) ще намалее 2 пъти.

Задачи за упражнение

Лесна: Изчислете дължината на вълната на Дьо Бройл на неутрон (\(m_n \approx 1,67 \cdot 10^{-27}\) kg), който се движи със скорост \(v = 400\) m/s.
Използваме формулата \(\lambda = \frac{h}{mv}\). \[ \lambda = \frac{6,63 \cdot 10^{-34} \text{ J} \cdot \text{s}}{(1,67 \cdot 10^{-27} \text{ kg}) \cdot (400 \text{ m/s})} \approx 9,9 \cdot 10^{-10} \text{ m} \approx 1 \text{ nm} \]
Средна: Частица алфа (хелиево ядро, \(m_\alpha \approx 6,64 \cdot 10^{-27}\) kg) има кинетична енергия \(E_k = 8 \cdot 10^{-13}\) J. Намерете дължината на вълната ѝ на Дьо Бройл.
Използваме формулата \(\lambda = \frac{h}{\sqrt{2mE_k}}\). \[ \lambda = \frac{6,63 \cdot 10^{-34}}{\sqrt{2 \cdot (6,64 \cdot 10^{-27}) \cdot (8 \cdot 10^{-13})}} \approx 6,4 \cdot 10^{-15} \text{ m} \]
Трудна: С какво ускоряващо напрежение \(U\) трябва да бъде ускорен един протон (\(m_p \approx 1,67 \cdot 10^{-27}\) kg, \(q_p = e\)), за да има дължина на вълната на Дьо Бройл \(\lambda = 0,01\) nm?
Използваме формулата \(\lambda = \frac{h}{\sqrt{2m_p eU}}\) и я решаваме спрямо \(U\).
Повдигаме на квадрат: \(\lambda^2 = \frac{h^2}{2m_p eU}\).
Изразяваме \(U\): \(U = \frac{h^2}{2m_p e \lambda^2}\).
Заместваме с числовите стойности (\(\lambda = 0,01 \text{ nm} = 10^{-11} \text{ m}\)): \[ U = \frac{(6,63 \cdot 10^{-34})^2}{2 \cdot (1,67 \cdot 10^{-27}) \cdot (1,6 \cdot 10^{-19}) \cdot (10^{-11})^2} \approx 8,2 \text{ V} \]

Надвий
домашното
с хиляди решения, уроци и тестове:

Математика

96605 решения

2102 уроци и тестове

Иконка Математика
4 клас
5 клас
6 клас
7 клас
8 клас
9 клас
10 клас
11 клас
12 клас

Литература

773 материали

Иконка Литература
5 клас
6 клас
7 клас
8 клас
9 клас
10 клас
11 клас
12 клас