Квантовая физика в избранных задачах
Покупка
Тематика:
Квантовая механика
Издательство:
Интеллект
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 256
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-91559-273-4
Артикул: 741228.01.99
В пособии изложены основные принципы и аппарат квантовой механики, используемый при решении ключевых задач физики атомов и молекул, поведения фононов и электронов в твердом теле. Рассмотрено макроскопическое проявление квантовых законов проводимости твердых тел и их применение в электронной и измерительной технике.
Предназначено для студентов и преподавателей физических, естественно-научных и технических специальностей, изучающих квантовую механику и её применения в рамках курса обшей физики.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.02: Прикладная математика и информатика
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.Н. ПАРШАКОВ КВАНТОВАЯ ФИЗИКА В ИЗБРАННЫХ ЗАДАЧАХ
© 2019, À.Í. Ïàðøàêîâ © 2020, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò, îôîðìëåíèå ISBN 978-5-91559-273-4 À.Í. Ïàðøàêîâ Êâàíòîâàÿ ôèçèêà â èçáðàííûõ çàäà÷àõ: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / À.Í. Ïàðøàêîâ – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2020. – 256 ñ. ISBN 978-5-91559-273-4  ïîñîáèè èçëîæåíû îñíîâíûå ïðèíöèïû è àïïàðàò êâàíòîâîé ìåõàíèêè, èñïîëüçóåìûé ïðè ðåøåíèè êëþ÷åâûõ çàäà÷ ôèçèêè àòîìîâ è ìîëåêóë, ïîâåäåíèÿ ôîíîíîâ è ýëåêòðîíîâ â òâåðäîì òåëå. Ðàññìîòðåíî ìàêðîñêîïè÷åñêîå ïðîÿâëåíèå êâàíòîâûõ çàêîíîâ ïðîâîäèìîñòè òâåðäûõ òåë è èõ ïðèìåíåíèå â ýëåêòðîííîé è èçìåðèòåëüíîé òåõíèêå. Ïðåäíàçíà÷åíî äëÿ ñòóäåíòîâ è ïðåïîäàâàòåëåé ôèçè÷åñêèõ, åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ è òåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé, èçó÷àþùèõ êâàíòîâóþ ìåõàíèêó è å¸ ïðèìåíåíèÿ â ðàìêàõ êóðñà îáùåé ôèçèêè.
ОГЛАВЛЕНИЕ Глава 1. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1. Гипотеза де Бройля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1.1. Масса фотона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.2. Опыт Дэвиссона и Джермера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.3. Дифракция нейтронов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.1.4. Опыт Штерна и Эстермана . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.5. Частица в потенциальной яме . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2. Принцип неопределенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.1. Мысленный опыт Гайзенберга . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.2. Парадокс Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.3. Давление частицы в потенциальной яме . . . . . . . . . . 25 1.2.4. Гармонический осциллятор. Нулевые колебания . . . . 25 1.2.5. Атом гелия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.6. Диаметр пятна от пучка атомов серебра. . . . . . . . . . . 29 1.2.7. Эффект Вавилова–Черенкова . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.2.8. Комптоновское рассеяние на атомных электронах. . . 31 1.2.9. Измерение силы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2.10. Естественная ширина спектральной линии . . . . . . . . 33 Глава 2. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1. Уравнение Шредингера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.1. Свободная частица . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.1.2. Преобразования Галилея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.1.3. Частица в одномерном потенциальном поле . . . . . . . 43 2.1.4. Ортогональность волновых функций . . . . . . . . . . . . . 44 2.2. Квантование энергии и момента импульса . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.1. Гармонический осциллятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2.2. Осциллятор в электрическом поле. . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.3. Осциллятор в трехмерном пространстве . . . . . . . . . . 49 2.2.4. Трехмерный изотропный осциллятор . . . . . . . . . . . . 50 2.2.5. Квантование момента импульса. . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.6. Ротатор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.2.7. Атом водорода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.2.8. Потенциал атома водорода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.9. Дейтрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.10. Соотношение неопределенностей в форме Вейля . . . 63
Оглавление 4 2.3. Потенциальные барьеры и ямы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.3.1. Прямоугольный потенциальный барьер. . . . . . . . . . . 68 2.3.2. Барьер конечной ширины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.3.3. Частица в потенциальной яме . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.3.4. Сферически симметричная яма . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.3.5. Энергетическое уширение в кристалле . . . . . . . . . . . 86 Глава 3. ФИЗИКА АТОМОВ И МОЛЕКУЛ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.1. Сдвиг и ширина спектральных линий. . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.1.1. Сдвиг частоты излучения атома водорода . . . . . . . . . 88 3.1.2. Движущиеся газоразрядные лампы . . . . . . . . . . . . . . 89 3.1.3. Время жизни возбужденных атомов. . . . . . . . . . . . . . 90 3.1.4. Оценка температуры излучающих атомов . . . . . . . . . 93 3.1.5. Ударное уширение линий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 3.2. Характеристическое рентгеновское излучение . . . . . . . . . . . 97 3.2.1. Появление Kα-линии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.2.2. Сплошной рентгеновский спектр . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.3. Энергия связи L-электронов титана . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.4. Скорость фотоэлектронов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.3. Молекулярные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3.3.1. Энергетический спектр двухатомных молекул . . . . . . 102 3.3.2. Момент инерции молекулы водорода . . . . . . . . . . . . 105 3.3.3. Отношение энергии квантов колебаний и вращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.3.4. Амплитуда нулевых колебаний молекул. . . . . . . . . . . 108 3.3.5. Энергия диссоциации и нулевые колебания . . . . . . . 109 Глава 4. ФОНОНЫ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ. . . . . . . . . 111 4.1. Фононы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1.1. Закон дисперсии для одномерного кристалла . . . . . . 114 4.1.2. Закон дисперсии для одномерной цепочки атомов с разной массой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.1.3. Закон дисперсии для двух- и трехмерной решетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.1.4. Колебания ограниченной цепочки атомов. . . . . . . . . 124 4.1.5. Число колебаний в двух- и трехмерном кристалле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1.6. Рассеяние фотонов на фононах . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.2. Колебания атомов и тепловые свойства . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.2.1. Внутренняя энергия колебаний решетки кристалла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.2.2. Теплоемкость твердого тела. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.2.3. Нагрев металлической пленки. . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.2.4. Дебаевская температура. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.2.5. Фононное давление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.2.6. Размер кристаллов поваренной соли . . . . . . . . . . . . . 147 4.2.7. Тепловое расширение твердых тел. . . . . . . . . . . . . . . 148
Оглавление Глава 5. ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛАХ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.1. Распределение Ферми–Дирака . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.1.1. Уровень Ферми в металлах при низких температурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.1.2. Ширина «размытия» распределения Ферми–Дирака . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 5.1.3. Вероятность заполнения состояний вблизи уровня Ферми . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.1.4. Энергия Ферми и скорость электронов . . . . . . . . . . . 163 5.1.5. Энергия Ферми и температура вырождения жидкого гелия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.1.6. Давление электронного газа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 5.1.7. Сжимаемость электронного газа . . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.1.8. Концентрация свободных электронов в металле . . . . 168 5.1.9. Плотность тока термоэмиссии. . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 5.1.10. Контакт двух металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5.2. Динамика электронов в кристаллической решетке . . . . . . . . 174 5.2.1. Закон дисперсии для электронов в одномерной кристаллической решетке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.2.2. Закон дисперсии электронов при наличии примесей в решетке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.2.3. Эффективная масса электрона. . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 5.2.4. Закон дисперсии для электронов в трехмерной решетке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.3. Фермиевские электроны. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 5.3.1. Фермиевский импульс электрона в кубической решетке . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5.3.2. Доля электронов в возбужденных состояниях . . . . . . 188 5.3.3. Размер кристалла для определения его электронной теплоемкости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.3.4. Теплоемкость электронного газа . . . . . . . . . . . . . . . . 191 5.3.5. Фермиевская скорость электронов в одномерном кристалле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 5.3.6. Движение электрона в одномерном металле во внешнем электрическом поле . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Глава 6. ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ. . . . . . 195 6.1. Концентрация носителей заряда в чистых полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 6.2. Уровень Ферми в чистых полупроводниках . . . . . . . . . . . . . 204 6.3. Уровень Ферми в полупроводниках n-типа. . . . . . . . . . . . . . 205 6.4. Ширина запрещенной зоны и энергия активации . . . . . . . . 207 6.5. Температурный коэффициент сопротивления. . . . . . . . . . . . 209 6.6. Время жизни электронов и дырок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.7. Переменная ширина запрещенной зоны. . . . . . . . . . . . . . . . 211 6.8. Контактные явления в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . 212
Оглавление 6 Глава 7. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ КВАНТОВЫХ ЗАКОНОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 7.1. Уравнение Шредингера в магнитном поле . . . . . . . . . . . . . . 218 7.2. Макроскопическое представление волновой функции . . . . . 220 7.3. Волновая функция для электронов при низких температурах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 7.4. Квантование магнитного потока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 7.5. Переходы Джозефсона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 7.6. Джозефсоновская генерация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 7.7. Сверхпроводящие квантовые интерферометры . . . . . . . . . . . 232 7.8. Применения слабой сверхпроводимости. . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.9. Квантовый эффект Холла. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Приложение 1. ЗНАЧЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ОПРЕДЕЛЕННЫХ ИНТЕГРАЛОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Приложение 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ . . . . 245 Приложение 3. ФОРМУЛЫ НЕКОТОРЫХ ВЕЛИЧИН В ГАУССОВОЙ СИСТЕМЕ И СИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Сп и с о к р ек омендуемой л итературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
Г Л А В А 1 ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ 1.1. ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ Квантовая физика является завершающим разделом курса общей физики. Предметом изучения квантовой физики являются микрообъекты (микрочастицы) и системы, состоящие из большого числа микрочастиц. Принципиальное отличие микрочастиц от привычных нам тел заключается в том, что каждая микрочастица сочетает в себе свойства и частицы и волны. В этом проявляется их корпускулярно-волновой дуализм. Квантовая механика имеет статистический (вероятностный) характер в отличие от классической физики, где делаются детерминированные выводы. В то же время выводы, получающиеся из квантового рассмотрения систем частиц, гораздо лучше согласуются с тем, что реально наблюдается на опыте. Более того, именно квантовая физика в ряде случаев позволяет объяснить то, что «обычная» классическая физика сделать не в состоянии, или ее выводы совершенно не согласуются с опытными фактами. Естественно, квантовая физика представляет собой большой самостоятельный раздел физики, поэтому мы рассмотрим только некоторые вопросы, имеющие существенное значение для ее понимания. В 1923 году стало почти ясно, что теория Бора и старая теория квантов лишь промежуточное звено между классическими представлениями и какими-то новыми взглядами, позволяющими глубже проникнуть в исследование квантовых явлений. Открытый к этому времени эффект Комптона и изучение фотоэффекта рентгеновских лучей лишний раз подтвердили представления Эйнштейна о световых квантах. Следовательно, с еще большей остротой встала дилемма: что такое свет — волны или частицы? Соотношение Эйнштейна между частотой и энергией, введенное им в теории фотонов, ясно показало, что этот дуализм излучения неразрывно связан с самим существованием квантов. Но тогда почти сам собой возникает вопрос: поскольку
Глава 1. Волновые свойства частиц свойства электрона в стационарном состоянии атома описываются с помощью постоянной Планка, нельзя ли предположить, что и электрон также двойственен, как и свет? И в 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм не является особенностью одних лишь оптических явлений, а присущ также и частицам вещества. По его идее частицы вещества также должны проявлять волновые свойства, т.е. движение электрона или другой микрочастицы связано с некоторым волновым процессом, длина волны которого должна быть равна λ π = 2 ℏ p , а частота ω = E / ℏ , где E — энергия; p — импульс частицы. Согласно гипотезе де Бройля, свободной частице с энергией E и импульсом p, движущейся вдоль направления x, соответствует плоская гармоническая волна Ψ( , ) exp x t A i Et px = − − ( ) ⎡ ⎣ ⎢⎢ ⎤ ⎦ ⎥⎥ ℏ , где E p k = = = ℏ ℏ ℏ ω π λ , / 2 (k — волновое число). Так как энергия E в принципе определена всегда с точностью до произвольной постоянной (физическим смыслом обладает изменение ΔE), то частота ω = E / ℏ является принципиально ненаблюдаемой величиной (в отличие от дебройлевской длины волны). 1.1.1. Масса фотона. При измерении расстояния между Землей и Луной ( L = ⋅ 3 8 108 , м) локацией ее поверхности оказалось, что результаты в оптическом и радиодиапазоне (λ = 20 см) не совпадают. Отличие в результатах измерений объяснялось попаданием излучения в разные точки лунной поверхности, которые могли отличаться по высоте на ΔL = ±100 м. С другой стороны, этот результат можно интерпретировать как результат отражения фотона с ненулевой массой от ровной поверхности. Принимая это, оценить возможную верхнюю границу массы фотона mγ (в эВ). Применение локации для измерения расстояний как в оптическом, так и в радиодиапазоне предполагает, что известна скорость распространения сигналов. Скорость распространения сигналов в оптическом диапазоне известна — это скорость света c. Движению же фотона с ненулевой массой согласно гипотезе де Бройля можно сопоставить плоскую гармоническую волну Ψ x t A i Et px , exp ( ) = − − ( ) ⎡ ⎣⎢⎢ ⎤ ⎦⎥⎥ ℏ ,
1.1. Гипотеза де Бройля где энергия E = ℏω , импульс p k = = ℏ ℏ 2π λ / (ω — частота; k — волновое число; λ — длина волны). Эта волна обладает как фазовой, так и групповой скоростью. Для определения фазовой скорости v найдем дифференциал фазы волны и положим его равным нулю d Et px dx dt E p − ( ) = → = = 0 v . Отсюда следует, что волны де Бройля обладают дисперсией даже в вакууме, так как их скорость зависит от частоты (даже в нерелятивистском случае v = = E p m / / ℏω 2 ). Поэтому найдем групповую скорость u. По определению u d dk d d k dE dp = = ( ) ( ) = ω ω ℏ ℏ . С учетом релятивистской связи энергии и импульса E p c m c 2 2 2 2 4 = + находим u pc E = 2 (1.1) или u c m c = + ⎛ ⎝ ⎜⎜⎜⎜ ⎞ ⎠ ⎟⎟⎟⎟ 1 2 2 γ λ πℏ (1.2) (при этом мы учли, что p = 2π λ ℏ / ). То, что групповая скорость оказалась меньшей скорости света и обуславливает разницу в измерении расстояния разными методами. Так как отношение расстояний равно отношению скоростей, то должно выполниться равенство L L L u c − = 2Δ . Отсюда с учетом (1.2) и того, что ΔL L / << 1 находим m c c L L γ π λ 2 8 4 0 6 10 ≤ ≈ ⋅ − ℏ Δ , эВ. И в заключение этой задачи вернемся к выражению (1.1). С учетом релятивистского определения импульса p E c = v / 2 , где v — скорость частицы, из (1.1) следует, что групповая скорость волны де Бройля равна скорости движения частицы и является уже наблюдаемой величиной (в отличие от фазовой — из-за неоднозначности
Глава 1. Волновые свойства частиц энергии E). Этот факт в свое время сыграл важную роль в развитии принципиальных основ квантовой физики, и в первую очередь, в физической интерпретации волн де Бройля. Вначале из-за совпадения скорости частицы и групповой скорости волн де Бройля была сделана попытка рассматривать частицы как волновые пакеты весьма малой протяженности и таким образом решить парадокс дуализма свойств частиц. Однако эта соблазнительная интерпретация оказалась ошибочной, так как все составляющие пакет гармонические волны из-за дисперсии распространяются с разными скоростями. Это приводит к тому, что даже в вакууме волновой пакет «расплывается». Для микрочастиц пакет расплывается практически мгновенно, в то время как сама частица является стабильным образованием. Таким образом, представление частицы в виде волнового пакета оказалось несостоятельным. 1.1.2. Опыт Дэвиссона и Джермера. На рис. 1.1 приведена кривая, полученная в опытах Дэвиссона и Джермера по дифракции электронов от монокристалла никеля, падающих под углом скольжения ϕ = ° 80 . По оси абсцисс отложено значение ускоряющего потенциала, а по оси ординат — относительная интенсивность рассеянных электронов. При больших порядках отражения k максимумы эквидистантны (расстояние между ними 3,06 В1/2), а при малых эта закономерность, показанная стрелками, нарушается. Оценить немонохроматичность падающих электронов и показатель преломления никеля для волны де Бройля электронов, соответствующих третьему максимуму, который наблюдается при V = 8 16 1 2 , / B . Найти межплоскостное расстояние d никеля. Рис. 1.1
1.1. Гипотеза де Бройля О немонохроматичности электронов говорит то, что число дифракционных максимумов kmax ограничено (равно 12). Из волновой оптики известно, что это значение обратно относительному разбросу длин волн kmax = λ λ Δ . Воспользуемся теперь связью энергии нерелятивистского электрона E и его импульса p E p m = 2 2 . И так как импульс электрона обратен его де бройлевской длине волны λ, то E ∝ 1 2 λ . Откуда находим относительную немонохроматичность энергии электронов Δ Δ E E k = = = 2 2 1 6 λ λ max . При проникновении в металл волн де Бройля, изменяется длина волны, так как энергия электрона возрастает на величину, равную работе выхода электрона из металла. А это позволяет говорить о показателе преломления волны де Бройля. Его, как и в оптике, следует принять равным отношению длины волны в вакууме λ1 к длине волны внутри металла λ2. С учетом того, что длина волны обратна корню из энергии, представим выражение для показателя преломления в виде n E E E A E A E = = = + = + λ λ 1 2 2 1 1 1 1 1 . (1.3) Здесь E1 — энергия электрона в вакууме, A — работа выхода. И, выражая энергию электрона через ускоряющее напряжение V, а работу выхода через внутренний потенциал V0, приходим к следующему выражению для показателя преломления электронных волн n V V = + 1 0 . (1.4) Отсюда видно, что показатель преломления может заметно отличаться от единицы лишь для медленных электронов, для которых ускоряющее напряжение V не слишком велико по сравнению с
Глава 1. Волновые свойства частиц внутренним потенциалом V0. Но воспользоваться формулой (1.4) для определения показателя преломления нам не удастся, так как неизвестен внутренний потенциал металла. Поэтому для определения n воспользуемся законом преломления волн де Бройля. Он идентичен классическому закону Снеллиуса (рис. 1.2) cos sin ϕ ψ = n (1.5) (это следует из выражения (1.3) и того, что при проникновении электронов в металл сохраняется касательная составляющая их скорости, т.е. выполняется равенство v v 1 2 cos sin ϕ ψ = ). Рис. 1.2 Рассмотрим две интерферирующие волны, представленные лучами ′1 и ′2 на рис. 1.2. Их «оптическая» разность хода (выделена на рисунке жирными отрезками) равна Δ = = 2 2 dn dn sin cos θ ψ . Значение cos sin ψ ψ = − 1 2 можно найти из (1.5) cos cos ψ ϕ = − 1 2 2 n n . Таким образом, «оптическая» разность хода интерферирующих волн будет равна Δ = − 2 2 2 d n cos ϕ . Для образования максимума порядка k необходимо выполнить условие Δ = = ( ) k k λ 1 2 3 , , ... . Поэтому с учетом преломления формула Вульфа–Брэгга примет вид 2 1 2 3 2 2 d n k k − = = ( ) cos , , ... ϕ λ . (1.6)
1.1. Гипотеза де Бройля Именно эта формула и позволит нам определить как показатель преломления n, так и межплоскостное расстояние d, так как значение λ определяется ускоряющим напряжением V λ π = 2 2 ℏ meV . Подставляя сюда известные значения ℏ,m и e, получаем λ Å ⎡⎣ ⎤⎦ = 12 26 , V , где λ выражено в ангстремах Å, а напряжение V в вольтах. Тогда формулу (1.6) можно записать в виде 2 12 26 1 2 3 2 2 d n k V k k − = = ( ) cos , , , ... ϕ . (1.7) Здесь Vk — значение ускоряющего напряжения, соответствующего максимуму дифракции порядка k, а значение d будет выражено в ангстремах. Конечно, даже при известных k и Vk из (1.7) не найти одновременно d и n, но мы можем воспользоваться тем, что при достаточно больших Vk (соответственно при больших k) значение n → 1 . Тогда формула (1.7) перейдет в 2 12 26 d k Vk sin , ϕ = . (1.8) Отсюда, кстати, следует, что при больших Vk максимумы отражения располагаются эквидистантно. Из рис. 1.1 видно, что это происходит при k > 6 , причем само напряжение удовлетворяет равенству V k k = 3 06 , . Подставляя это значение в (1.8), находим d = ⋅ ⋅ ° ≈ 12 26 3 06 2 80 2 03 , , sin , Å . Для определения же показателя преломления воспользуемся тем, что нам по условию задачи задано значение Vk = 8 16 , при k = 3 . Тогда из (1.7) при найденном d нетрудно найти и значение n n k d Vk = ⎛ ⎝ ⎜⎜⎜⎜ ⎞ ⎠ ⎟⎟⎟⎟⎟ + ⎡ ⎣ ⎢⎢⎢⎢ ⎤ ⎦ ⎥⎥⎥⎥ ≈ 6 13 1 12 2 2 1 2 , cos , / ϕ .
Глава 1. Волновые свойства частиц 1.1.3. Дифракция нейтронов. Чтобы получить пучок нейтронов, обладающих заданной энергией E = 1 эВ, используют брэгговское отражение первого порядка от кристалла LiF, для которого расстояние между плоскостями кристаллической решетки d = 2 32 , Å (рис. 1.3). На кристалл падает пучок нейтронов с различными энергиями. Оценить разброс нейтронов по энергиям ΔE в отраженном пучке, если угловая ширина этого пучка Δθ = ° 0 1 , . Какую толщину кристалла D следует выбирать в этом эксперименте? Кристалл вырезан так, что отражающие плоскости параллельны поверхности кристалла. Рис. 1.3 Обратимся к формуле Вульфа–Брэгга 2d k sin θ λ = . (1.9) Отсюда следует, что в рассеянном излучении с углом раствора Δθ содержатся длины волн в некотором интервале Δλ. В силу связи длины волны и энергии λ π = ∝ 2 2 1 ℏ mE E (1.10) интервалу длин волн Δλ соответствует интервал энергии Δ Δ E E = 2 λ λ . (1.11) Длина волны, соответствующая энергии нейтронов E = 1 эВ, рассчитанная по формуле (1.10), равна 0 285 , A o . Тогда из (1.9) при k = 1 получаем sin , θ λ = ≈ 2 0 06 d . И так как угол θ << 1 , то из (1.9) следует Δ Δ λ λ θ θ = . (1.12)