Методические указания а. Д. Рожковский (стр. 12 из 20)

Рисунок 1.1.

Для измерения расстояния от максимума дифракционной картины до минимума используется движок расположенный справа от окна модели. Измерения проводятся для нескольких значений размеров щели. Тестовая система фиксирует количество правильно данных ответов и общее число попыток.

Для открытия рабочего окна нажмите на его изображение.

Лабораторная работа № 8. Теория

Соотношение неопределенностей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: На примере дифракции фотонов дать представление студентам о соотношении неопределенностей. Используя модель дифракции фотонов на щели, наглядно продемонстрировать, что чем точнее определена координата x фотона, тем менее точно определено значение проекции его импульса p_x.

Соотношение неопределенностей

В 1927 г. В.Гейзенберг открыл так называемые соотношения неопределенностей, в соответствии с которыми неопределенности координат и импульсов связаны между собой соотношением:

, где , h постоянная Планка. Своеобразие описания микромира в том, что произведение неопределенности (точности определения) положения Δx и неопределенности (точности определения) импульса Δp_x всегда должно быть равно или больше константы, равной – . Из этого следует, что уменьшение одной из этих величин должно приводить к увеличению другой. Хорошо известно, что любое измерение сопряжено с определенными ошибками и совершенствуя приборы измерения, можно уменьшать погрешности, т. е. повышать точность измерения. Но Гейзенберг показал, что существуют сопряженные (дополнительные) характеристики микрочастицы, точное одновременное измерение которых, принципиально невозможно. Т.е. неопределенность – свойство самого состояния, оно не связано с точностью прибора.

Для других сопряженных величин – энергии E и времени t соотношение имеет вид:

. Это означает, что при характерном времени эволюции системы Δt , погрешность определения ее энергии не может быть меньше чем . Из этого соотношения следует возможность возникновения из ничего, так называемых, виртуальных частиц на промежуток времени меньший, чем и обладающих энергией ΔE. При этом закон сохранения энергии не будет нарушен. Поэтому по современным представлениям вакуум это не пустота, в которой отсутствуют поля и частицы, а физическая сущность, в которой постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы.

Одним из основных принципов квантовой механики является принцип неопределенностей, открытый Гейзенбергом. Получение информации об одних величинах, описывающих микрообъект, неизбежно ведет к уменьшению информации о других величинах, дополнительных к первым. Приборы, регистрирующие величины, связанные соотношениями неопределенности, разного типа, они дополнительны друг к другу. Под измерением в квантовой механике подразумевается всякий процесс взаимодействия между классическим и квантовыми объектами, происходящий помимо и независимо от какого-либо наблюдателя. Если в классической физике измерение не возмущало сам объект, то в квантовой механике каждое измерение разрушает объект, уничтожая его волновую функцию. Для нового измерения объект нужно готовить заново. В этой связи Н. Бор выдвинул принцип дополнительности, суть которого в том, что для полного описания объектов микромира необходимо использование, двух противоположных, но дополняющих друг друга представлений.

Дифракция фотонов, как иллюстрация соотношения неопределенностей

С точки зрения квантовой теории свет можно рассматривать как поток световых квантов - фотонов. При дифракции монохроматической плоской волны света на узкой щели, каждый фотон, прошедший через щель, попадает в определенную точку на экране (Рис 1.). Предсказать, в какую именно точку попадет фотон невозможно. Однако в совокупности, попадая в разные точки экрана, фотоны дают дифракционную картину. Когда фотон проходит через щель, можно говорить, что его координата x, была определена с погрешностью Δx, которая равна размеру щели. Если фронт плоской монохроматической волны параллелен плоскости экрана со щелью, то каждый фотон имеет импульс, направленный по оси z перпендикулярно экрану. Зная длину волны, этот импульс можно точно определить: p = h/λ.

Рис. 1.

Однако после прохождения через щель, направление импульса меняется, в результате чего и наблюдается дифракционная картина. Модуль импульса остается постоянным, так как при дифракции света длина волны не меняется. Отклонение от первоначального направления возникает за счет появления составляющей Δp_x вдоль оси х (Рис. 1.). Величину этой составляющей для каждого конкурентного фотона определить невозможно, но максимальное ее значение по модулю определяет ширину 2S дифракционной картины. Максимальное значение Δp_x и является мерой неопределенности импульса фотона, возникающей при определении его координаты с погрешностью Δx. Как видно из рисунка, максимальное значение Δp_x равно: Δp_x = psinθ,

. Если L >> s , тогда можно записать: sinθ =s/L и Δp_x= p(s/L).

Лабораторная работа № 8. Порядок выполнения работы.

Задание. Соотношение неопределенностей.

Ознакомьтесь с теоретической частью работы.

Откройте рабочее окно.

А). Переместив движки с правой стороны рабочего окна, задайте произвольные значения длины волны λ и размера щели Δx. Запишите эти значения. Нажмите кнопку Тест. Используя правую кнопку мыши, увеличьте изображение дифракционной картины. С помощью движка, находящегося справа от изображения дифракционной картины, определите максимальное расстояние s, на которое отклоняются фотоны по оси x, и запишите его. С помощью правой кнопки мыши верните изображение в исходное состояние. Используя формулы в теоретической части определите Δp_x. Подставьте это значение в окно теста и нажмите кнопку Проверить. Если расчеты сделаны правильно, появиться надпись Правильно!!!

C:\www\doc2html\work\bestreferat-411759-14098678075836\content_t.html

Б). Используя найденные значения, найдите произведение Δp_xΔx. Подставьте это значение в окно теста и нажмите кнопку Проверить. Если расчеты сделаны правильно, появиться надпись Правильно!!!.

В). Измените размер щели и нажав кнопку Тест повторите пункты А и Б. Результаты проведенных тестов покажите преподавателю. По результатом измерений составьте таблицу:

№	Δx (ширина щели)	λ	Импульс фотона p	s	Δpx(рассчитанное)	ΔpxΔx
1
2

Г). Сравните рассчитанное значение Δp_xΔx с постоянной Планка h и сделайте вывод. Как меняется погрешность в определении импульса с уменьшением погрешности измерения координаты?

Д). С точки зрения квантовой механики классическим объектом (прибором) является экран со щелью, а квантовым объектом фотон. В момент измерения (прохождения фотона сквозь щель) мы с погрешностью Δx определяем координату x фотона, при этом возникает неопределенность Δp_x импульса фотона. Можно ли после взаимодействия с прибором точно указать траекторию движения этого фотона? Останется ли его координата x после прохождения щели той же самой. Какова роль прибора в микромире?

Лабораторная работа № 8. Форма отчета.

Общие требования к оформлению.

Работа выполняется на листах бумаги формата A4, или на двойных тетрадных листах.

В заголовке указываются:

Фамилия и инициалы студента, № группы
НАЗВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Каждое задание лабораторной работы оформляется как ее раздел и должно иметь заголовок. В отчете по каждому заданию, должны быть даны ответы на все вопросы и, если это указано, сделаны выводы и приведены необходимые рисунки. Результаты тестовых заданий обязательно должны быть показаны преподавателю. В заданиях, включающих в себя измерения и расчеты, должны быть приведены данные измерений и данные проведенных расчетов.

Задание. Соотношение неопределенностей.

А). Значения длины волны λ и размера щели Δx. Измеренное максимальное расстояние s. Расчеты импульса фотона и Δp_x.

Б). Расчеты произведения Δp_xΔx.
В). Повтор пунктов А и Б.Таблица с результатами:

№	Δx (ширина щели)	λ	Импульс фотона p	s	Δpx(рассчитанное)	ΔpxΔx
1
2

Г). Анализ результатов. Выводы. Ответы на вопросы.

Д). Ответы на вопросы.

Контрольные вопросы для проверки усвоения темы лабораторной работы:

1. Поясните, почему из соотношения неопределенностей следует невозможность одновременного точного определения сопряженных величин?
2. Энергетические спектры излучения связаны с переходом электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие. Этот переход происходит за определенный промежуток времени. Можно ли абсолютно точно определить энергию излучения?
3. Изложите суть принципа неопределенностей.
4. Какова роль прибора в микромире?
5. Из соотношения неопределенностей объясните, почему при дифракции фотонов уменьшение размера щели приводит к увеличению ширины дифракционной картины?
6. Изложите суть принципа дополнительности Бора.
7. Чем по современным представлениям является вакуум?