Установка для моделирования корпускулярно-волновых свойств материи относится к числу лекционных демонстраций и предназначена для практического применения на лекциях по физике в высших учебных заведениях.
Целью предлагаемого изобретения является создание установки, позволяющей продемонстрировать квантово-волновые свойства материи и показать в наглядной форме некоторые количественные характеристики этого явления.
Сущность принципа квантово-волнового дуализма заключается в том, что все объекты микромира, такие как электроны, протоны и пр., а также электромагнитные колебания (включая свет) предполагаются имеющими одновременно и волновые и корпускулярные свойства. Эту чрезвычайно важную особенность многих видов материи практически невозмож.но продемонстрировать на лекции, поскольку экспериментально подтвердить, например, корпускулярность света,, либо волновую природу электрона можно только с помощью очень тонких и сложных экспериментов, недоступных постановке в условиях учебной лекции и имеющих, к тому же, недостаточную наглядность. Поэтому особую ценность приобретают механические или электрические модели этого явления.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемой установки; на фиг. 2 - результат работы установки (изображение на экране электроннолучевой трубки); на фиг. 3 - форма напряжения на выходе генератора нелинейной кадровой развертки.
Установка состоит из электроннолучевой трубки / с системой питания, генератора 2 строчной линейной развертки, подключенного к Х-пластинам трубки, двух генераторов 3 и 4 кадровой развертки, соответственно линейной и нелинейной, нодклю1ченных через переключатель 5 рода кадровой развертки к У-пластинам трубки, счетчика Гейгера-Мюллера 6 (|С блоком питания и формирователем импульсов), облучаемого источником гаммаквантов 7, и связа.нного через переключатель 8 рода подсвета с модулятором электроннолучевой трубки.
Установка может работать в одном из двух режимов, определяемых положением переключателя. В первом режиме (переключатель находится в верхнем, положении по фиг. 1) на Х-нластины трубки подается периодическое линейно-изменяющееся напряжение от генератора 2, а на У-пластины - несинхронное с ним периодическое линейно-изменяющееся напряжение от генератора 3, имеющее значительно меньшую частоту. Если при этом переключатель 8 находится в нижнем положеНИИ, на модулятор трубки подается отпирающий потенциал U, луч трубки открыт и на экране трубки виден равномерно светящийся прямоутольник (чтобы не были видны отдельные строки, луч несколько расфокусируется, (СМ. фиг. 2а). Полученное изображение имитирует освещение некоторой поверхности достаточно интенсивным широким пучком света. При переключении переключателя 8 в верхнее положение на модулятор трубки начинают подаваться статистически распределенные во времени подсвечивающие импульсы от счетчика Гейгера-Мюллера. В результате луч вспыхивает случайным образом во времени, попадая при этом на различ1ные участки экрана, чем имитируется освещение поверхности столь слабым потоком света, когда его следует уже считать состоящим из отдельных фотонов (см. ,фи 26}. В этом случае расположение отдельных ва-пыше.к на экране трубки довольно точно описывается распределением Пуассона, которому подчиняется и реальный поток фотонов, что дает возможность изучать на этой модели статистические закономерности квантовой структуры света, наприм;ер, флуктуации плотности потока фотонов, а также зависимость величины флуктуации от интенсивности светового потока. Изменение интенсивности светового потока легко имитировать изменением средней плотности вспыщек, зависящей от расстояния между источником 7 и счетчиком Гейгера-Мюллера.
Для создания в установке второго режима достаточно перевести переключатель 5 в «ижнее положение. При этом на Х-пластины трубки, как и в первом режиме, подается периодическое линейно-изменяющееся напряжение от генератора 2, а на У-пластины - несинхронное с ним нелинейное напряжение от генератора 4, имеющее значительно меньшую частоту. Возможная форма этого напряжения приведена на фиг. 3. Если переключатель 8 находится в нижнем положении, луч трубки открыт, и на экране трубки возникает светящийся прямоугольник с яркой полосой в центре и убывающей к краям яркостью (см. фиг. 28), который можно интерпретировать как изображение дифракционного максимума при дифракции света в щели . Если перевести теперь переключатель 8 в верхнее положение, луч будет вспыхивать на различных участках экрана, но поскольку У-развертка теперь нелинейна (см. фиг. 3), средняя плотность вспышек будет неодинакова по экрану - в центре луч будет вспыхивать чаще, к краям - реже (см. фиг. 2г). Распределение вспышек во времени будет по-прежнему бессистемным. Теперь изображение на экране трубки имитирует процесс дифракции столь слабого светового потока, что его следует считать СОСТОЯЩИМ из отдельных фотонов. Полученное изображение дает возможность продемонстрировать, как сугубо волновой процесс - дифракция - может происходить и в потоке отдельных корпускул-фотонов. При этом вероятностный характер наблюдаемой картины (порядок следования вспыщек во времени, распределение их по экрану, флуктуации плотности и т. д.) весьма точно соответствует характеристикам реального процесса дифракции одиночных фотонов.
Описанный режим работы установки может быть использован и для демонстрации закономерностей дифракции электронов на кристаллической решетке. В этом случае сначала показывается дискретное изображение и исследуется вероятностный характер процесса и неделимость отдельных электронов, а затем демонстрируется сплощное изображение как результат действия большого числа отдельных электронов.
Предмет изобретения
Демонстрационная установка для моделирования корпускулярно-волновых свойств материи, отличающаяся тем, что, с целью наглядной демонстрации статистических закономерностей квантовой структуры света и процесса дифракции одиночных квантов, она содержит электроннолучевую трубку, генератор строчной линейной развертки, подключенный к горизонтальным пластинам трубки, генераторы кадровой линейной и нелинейной, разверток, подключенные к вертикальным пластинам трубки с помощью переключателя, счетчик Гейгер а-Мюллер,а, облучаемый потоком гамма-квантов и подсоединенный с помощью переключателя к модулятору трубки.
