• Интерфере́нция све́та — явление взаимного усиления или ослабления света до полной темноты (гашения) при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний. Интерференция возникает, когда два когерентных источника света, т. е. испускающие полностью однородные лучи света с постоянной разностью фаз, расположены очень близко друг от друга. Такими источниками света являются, например, два зеркальных изображения одного источника света. У двух разных источников света никогда не сохраняется постоянная разность фаз волн, поэтому их лучи не интерферируют.

• Физика процесса

• Интерференция возникает также при разделении первоначального луча света на два луча при его прохождении через тонкую плёнку, например плёнку, наносимую на поверхность линз у просветлённых объективов. Луч света, проходя через плёнку толщиной , отразится дважды — от внутренней и наружной её поверхностей. Отражённые лучи будут иметь постоянную разность фаз, равную удвоенной толщине плёнки, от чего лучи становятся когерентными и будут интерферировать. Полное гашение лучей произойдет при , где λ — длина волны. Если λ = 550 нм, то толщина плёнки равняется 550:4=137,5 нм.

• Лучи соседних участков спектра по обе стороны от λ = 550 нм интерферируют не полностью и только ослабляются, отчего плёнка приобретает окраску.

• Наблюдение интерференции

Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, на крыльях бабочек и в цветах побежалости, и т. д.

Как известно из школьного курса, свет - волна.

Но…в 1900г. Планк постулировал, что лучистая энергия (энергия света) переносится отдельными порциями - «квантами», а энергия кванта

E=h

Иными словами, есть «световая частица» - фотон.

Взаимосвязь частиц и волн, или корпускулярно-волновой дуализм

Результаты опыта по дифракции электронов на двух щелях (Йенсен, 1961 г.).

Параллельный пучок моноэнергетических электронов падает на диафрагму с двумя щелями (см. рисунок). В силу того, что электроны обладают волновыми свойствами, на экране, расположенном за диафрагмой, возникает интерференционная картина, состоящая из чередующихся максимумов и минимумов (кривая А).

Случай, когда открыта только щель 1, а щель 2 закрыта. Распределение электронов на экране определяется вкладом только от одной щели (кривая 1').

Случай, когда открыта только щель 2, а щель 1 закрыта.

получаем распределение, описываемое кривой 2'.

Если бы каждый электрон проходил через вполне определенную щель (1 или 2), то распределение электронов на экране в случае, когда открыты обе щели, описывалось бы кривой В, которая является суммой кривых 1' и 2' и показана на рисунке пунктирной линией.

Кардинальное отличие кривой В от наблюдаемой в эксперименте интерференционной картины позволяет сделать заключение, что электрон при движении через диафрагму как бы "видит" обе щели. Только участием обеих щелей в прохождении электрона через диафрагму может быть объяснена возникающая на экране интерференционная картина.

Любая попытка определить, через какую щель прошел электрон, неизбежно приводит к нарушению интерференции. Таким образом, мы приходим к выводу, что указать, через какую щель прошел электрон, не нарушая интерференционную картину, невозможно. Отсюда следует, что электрону, как и любой другой микрочастице, нельзя приписать определенную траекторию движения.

Электрон – и частица (с определенной массой и зарядом), и волна?

Наличие у микрочастицы волновых свойств означает, как мы видим, отказ от одного из важнейших понятий классической механики - понятия траектории частицы.

Согласно классическим представлениям частица, двигаясь по траектории, в каждый момент времени находится в определенной точке пространства и, следовательно, не может в этот же момент времени находиться в других точках.

Согласно квантовым представлениям микрочастица в силу своих волновых свойств может быть обнаружена в один и тот же момент времени в разных точках пространства.

Таким образом, для описания движения микрочастиц понятие траектории оказывается, вообще говоря, неприменимым.

Вопрос: Какие же свойства классических частиц сохраняются в области микромира?

Это масса, электрический заряд и энергия, которая при взаимодействии частицы с другими телами расходуется так, как если бы частица была сосредоточена в одной точке.

Луи де - Бройль (1892-1987) предложил постулат:

корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам.

Для релятивисткой (нано-) частицы:

импульс p=mV=mc и энергия E=mc² (V-скорость)

Учитывая, что E=h v, а =c/v (, v - длина и частота волны), получим:

mc²=h или mc= h/c (h – постоянная Планка - квант действия, h=6,62617710^–34 Джс )

или

=h/p

Формула де-Бройля справедлива для всех частиц с импульсом p.

Пример:

Электрон с массой m_e=9.110^-28 г и скоростью V=10⁸ см/с (близкой к скорости света) имеет длину волны =10^-8 см, т.е. длину волны порядка атомных размеров.

(Детский вопросик: Какую длину волны имеет микрочастица с массой 1/100 мг, движущаяся со скоростью 100000 км/час?).

Дж = кг·м²/с² = Н·м = Вт·с.

Для микрообъектов нельзя говорить об одновременном определении координат и импульса: понятие «длина волны в точке» лишено физического смысла.

Гейзенберг в 1927 г. сформулировал принцип неопределенности:

частица не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, а неопределенность координаты (х) и импульса (р) связаны соотношением неопределенностей (Гейзенберга):

(х)(р) h

Попробуйте сами обсудить проблему: частица находится в точке с координатой х₀ (т.е. х=0), поэтому ….

Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

В 1927г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополняющих первые.

Пример 1: исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которой по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Пример 2: Попытка получить дополнительную информацию о наноструктуре мембраны приводит к разрушению образца (энергия воздействия на образец сопоставима с энергией химических связей)

а	б

Разрушение образца мембраны Нафион (а) при попытке увеличить разрешение электронной сканирующей микроскопии до 30 нм

Строение атома и элементарные частицы

К началу 30-х годов XX века было известно 4 типа элементарных частиц – протоны, нейтроны, электроны и фотоны.

С помощью планетарной модели удалось объяснить природу химических элементов, их соединений, испускаемых ими излучений.

Атом Нильса Бора– планетарная модель (это было 100 лет назад!!!!)

Сегодняшние представления – как устроен простейший атом водорода?

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона.

Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях.

В остальном эти модели не похожи друг на друга.

Волновая модель: орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%.

Полученные с помощью математического расчета такие "области вероятности" (орбитали) нахождения в электронном облаке s-, p- и d-электронов. Примерно такую форму в волновой модели атома имеют "области вероятности" существования электронов: s-, p-, и d-орбитали. Ядро атома находится в точке пересечения координат.

Итак:

В волновой модели

существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами.

Области вероятности нахождения разных электронов могут пересекаться. К этому свойству волновой модели следует отнестись спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

Строение ядра

• Ядро представляет собой центральную часть атома.

• В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома.

• По сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10^–15–10^–14 м.

• Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд.

• Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме.

• Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром

Протон и нейтрон –

силы взаимодействия – ядерные, связывают вместе протоны и нейтроны, называемые нуклонами.

Водород - из электрона и ядро из одного протона.

Уран - из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов.