La nascita della fisica quantistica. Lezione-lezione La nascita della fisica quantistica. Effetto foto Visualizza il contenuto della presentazione “presente”

L'emergere e lo sviluppo della teoria quantistica hanno portato a un cambiamento nelle idee classiche sulla struttura della materia, del movimento, della causalità, dello spazio, del tempo, della natura della cognizione, ecc., Che ha contribuito a una trasformazione radicale dell'immagine del mondo. La comprensione classica di una particella materiale era caratterizzata dalla sua netta separazione dall'ambiente, dal possesso del proprio movimento e dalla posizione nello spazio. Nella teoria quantistica, una particella cominciò a essere rappresentata come una parte funzionale del sistema in cui è inclusa, non avendo né coordinate né quantità di moto. Nella teoria classica il moto era considerato come il trasferimento di una particella, che rimane identica a se stessa, lungo una determinata traiettoria. La duplice natura del movimento delle particelle richiedeva l'abbandono di tale rappresentazione del movimento. Il determinismo classico (dinamico) ha lasciato il posto al determinismo probabilistico (statistico). Se in precedenza il tutto era inteso come la somma delle sue parti costitutive, allora la teoria quantistica ha rivelato la dipendenza delle proprietà di una particella dal sistema in cui è inclusa. La comprensione classica del processo cognitivo era associata alla conoscenza di un oggetto materiale come esistente in sé. La teoria quantistica ha dimostrato la dipendenza della conoscenza di un oggetto dalle procedure di ricerca. Se la teoria classica pretendeva di essere completa, allora la teoria quantistica fin dall'inizio si è rivelata incompleta, sulla base di una serie di ipotesi, il cui significato all'inizio era tutt'altro che chiaro, e quindi le sue disposizioni principali hanno ricevuto interpretazioni diverse, interpretazioni diverse .
I disaccordi sono emersi principalmente riguardo al significato fisico della dualità delle microparticelle. De Broglie per primo avanzò il concetto di onda pilota, secondo il quale coesistono un'onda e una particella, l'onda che guida la particella. Una vera formazione materiale che mantiene la sua stabilità è una particella, poiché è essa che possiede energia e quantità di moto. L'onda che trasporta la particella controlla la natura del movimento della particella. L'ampiezza dell'onda in ogni punto dello spazio determina la probabilità di localizzare una particella vicino a questo punto. Schrödinger risolve essenzialmente il problema della dualità delle particelle rimuovendolo. Per lui la particella agisce come una formazione puramente ondulatoria. In altre parole, una particella è il luogo dell'onda in cui è concentrata la massima energia dell'onda. Le interpretazioni di de Broglie e Schrödinger erano essenzialmente tentativi di creare modelli visivi nello spirito della fisica classica. Tuttavia, ciò si è rivelato impossibile.
Heisenberg propose un'interpretazione della teoria quantistica basata (come mostrato in precedenza) sul fatto che la fisica dovrebbe utilizzare solo concetti e quantità basati su misurazioni. Pertanto, Heisenberg abbandonò la rappresentazione visiva del movimento di un elettrone in un atomo. I macrodispositivi non possono descrivere il movimento di una particella registrando contemporaneamente quantità di moto e coordinate (cioè in senso classico) a causa della controllabilità fondamentalmente incompleta dell'interazione del dispositivo con la particella - a causa della relazione di incertezza, la misurazione della quantità di moto non lo rende possibile determinare le coordinate e viceversa. In altre parole, a causa della fondamentale inesattezza delle misurazioni, le previsioni della teoria possono essere solo di natura probabilistica e la probabilità è una conseguenza della fondamentale incompletezza delle informazioni sul movimento della particella. Questa circostanza ha portato alla conclusione del crollo del principio di causalità in senso classico, che presupponeva la previsione di valori esatti di quantità di moto e coordinate. Nell'ambito della teoria quantistica non si tratta quindi di errori nell'osservazione o nell'esperimento, ma di una fondamentale mancanza di conoscenza, che si esprime utilizzando la funzione di probabilità.
L'interpretazione di Heisenberg della teoria quantistica fu sviluppata da Bohr e divenne nota come interpretazione di Copenhagen. Nell'ambito di questa interpretazione, la posizione principale della teoria quantistica è il principio di complementarità, che significa l'esigenza di utilizzare classi di concetti, strumenti e procedure di ricerca mutuamente esclusive, che vengono utilizzati nelle loro condizioni specifiche e si completano a vicenda, per ottenere un'immagine olistica dell'oggetto studiato nel processo di cognizione. Questo principio assomiglia alla relazione di incertezza di Heisenberg. Se parliamo di definire lo slancio e le coordinate come procedure di ricerca reciprocamente esclusive e complementari, allora ci sono motivi per identificare questi principi. Tuttavia, il significato del principio di complementarità è più ampio delle relazioni di incertezza. Per spiegare la stabilità dell'atomo, Bohr combinò i concetti classici e quantistici del movimento degli elettroni in un unico modello. Il principio di complementarità, quindi, ha permesso di integrare le idee classiche con quelle quantistiche. Avendo individuato l'opposizione tra le proprietà ondulatorie e corpuscolari della luce e non trovando la loro unità, Bohr era propenso a pensare a due metodi di descrizione equivalenti tra loro - ondulatorio e corpuscolare - con la loro successiva combinazione. Quindi è più esatto dire che il principio di complementarità è uno sviluppo della relazione di incertezza che esprime la relazione tra coordinata e quantità di moto.
Numerosi scienziati hanno interpretato la violazione del principio del determinismo classico nel quadro della teoria quantistica a favore dell'indeternismo. In realtà qui il principio del determinismo ha cambiato forma. Nell'ambito della fisica classica, se nel momento iniziale si conoscono le posizioni e lo stato di movimento degli elementi del sistema, è possibile prevedere completamente la sua posizione in qualsiasi momento futuro. Tutti i sistemi macroscopici erano soggetti a questo principio. Anche nei casi in cui era necessario introdurre probabilità, si è sempre assunto che tutti i processi elementari fossero strettamente deterministici e che solo il loro gran numero e il comportamento disordinato costringessero a ricorrere a metodi statistici. Nella teoria quantistica la situazione è fondamentalmente diversa. Per attuare i principi di deterternizzazione è necessario conoscere le coordinate e i momenti, e ciò è vietato dalla relazione di indeterminazione. L'uso della probabilità qui ha un significato diverso rispetto alla meccanica statistica: se nella meccanica statistica le probabilità venivano usate per descrivere fenomeni su larga scala, nella teoria quantistica le probabilità, al contrario, vengono introdotte per descrivere i processi elementari stessi. Tutto ciò significa che nel mondo dei corpi su larga scala opera il principio dinamico di causalità e nel micromondo il principio probabilistico di causalità.
L'interpretazione di Copenhagen presuppone da un lato una descrizione degli esperimenti in termini di fisica classica e dall'altro il riconoscimento di questi concetti come non esattamente corrispondenti alla situazione reale. È questa incoerenza che determina la probabilità della teoria quantistica. I concetti della fisica classica costituiscono una parte importante del linguaggio naturale. Se non usiamo questi concetti per descrivere gli esperimenti che stiamo conducendo, non saremo in grado di capirci.
L'ideale della fisica classica è la completa oggettività della conoscenza. Ma nella conoscenza usiamo strumenti e così, come dice Heinserberg, nella descrizione dei processi atomici viene introdotto un elemento soggettivo, poiché lo strumento è stato creato dall'osservatore. “Dobbiamo ricordare che ciò che osserviamo non è la natura stessa, ma la natura come appare attraverso il nostro modo di porre domande. Il lavoro scientifico in fisica consiste nel porre domande sulla natura al linguaggio che usiamo e cercare di ottenere la risposta in un esperimento eseguita con l'ausilio dei mezzi a nostra disposizione, ricordiamo allo stesso tempo le parole di Bohr sulla teoria quantistica: se cerchiamo l'armonia nella vita, non dobbiamo mai dimenticare che nel gioco della vita ci troviamo. allo stesso tempo spettatori e partecipanti. È chiaro che nel nostro rapporto scientifico con la natura, la nostra stessa attività diventa importante laddove dobbiamo occuparci di aree della natura che possono essere penetrate solo attraverso i mezzi tecnici più importanti."
Risultò inoltre impossibile utilizzare i concetti classici di spazio e tempo per descrivere i fenomeni atomici. Ecco cosa ha scritto al riguardo un altro creatore della teoria quantistica: “l'esistenza del quanto d'azione ha rivelato una connessione del tutto inaspettata tra geometria e dinamica: si scopre che la possibilità di localizzare i processi fisici nello spazio geometrico dipende dal loro stato dinamico. La teoria della relatività generale ci ha già insegnato a considerare le proprietà locali dello spazio-tempo in funzione della distribuzione della materia nell'Universo. Tuttavia, l'esistenza dei quanti richiede una trasformazione molto più profonda e non ci consente più di rappresentare il movimento di a oggetto fisico lungo una certa linea nello spazio-tempo (la linea del mondo). Non è più possibile determinare lo stato di movimento in base alla curva che lo descrive le posizioni successive di un oggetto nello spazio nel tempo stato dinamico non come conseguenza della localizzazione spazio-temporale, ma come aspetto indipendente e aggiuntivo della realtà fisica."
Le discussioni sul problema dell'interpretazione della teoria quantistica hanno rivelato la questione dello status stesso della teoria quantistica: se si tratta di una teoria completa del movimento delle microparticelle. La domanda fu formulata per la prima volta in questo modo da Einstein. La sua posizione era espressa nel concetto di parametri nascosti. Einstein partì dalla comprensione della teoria quantistica come teoria statistica che descrive modelli relativi al comportamento non di una singola particella, ma del loro insieme. Ogni particella è sempre strettamente localizzata e allo stesso tempo ha determinati valori di quantità di moto e coordinate. La relazione di incertezza non riflette la struttura reale della realtà a livello dei microprocessi, ma l'incompletezza della teoria quantistica: è solo che al suo livello non abbiamo la capacità di misurare simultaneamente la quantità di moto e coordinarsi, sebbene esistano effettivamente, ma come parametri nascosti (nascosti nel quadro della teoria quantistica). Einstein considerava incompleta la descrizione dello stato di una particella utilizzando la funzione d'onda e quindi presentava la teoria quantistica sotto forma di una teoria incompleta del movimento di una microparticella.
Bohr in questa discussione assunse la posizione opposta, basata sul riconoscimento dell'incertezza oggettiva dei parametri dinamici di una microparticella come ragione della natura statistica della teoria quantistica. A suo avviso, la negazione da parte di Einstein dell’esistenza di quantità oggettivamente incerte lascia inspiegate le caratteristiche ondulatorie inerenti alla microparticella. Bohr considerava impossibile un ritorno ai concetti classici del movimento delle microparticelle.
Negli anni '50 Nel XX secolo, D. Bohm tornò al concetto di onda pilota di de Broglie, presentando l'onda psi come un campo reale associato a una particella. I sostenitori dell'interpretazione di Copenhagen della teoria quantistica e anche alcuni dei suoi oppositori non appoggiarono la posizione di Bohm, ma essa contribuì a un'elaborazione più approfondita del concetto di de Broglie: la particella cominciò a essere considerata come una formazione speciale che nasce e si muove in il campo psi, ma conserva la sua individualità. I lavori di P. Vigier e L. Janosi, che svilupparono questo concetto, furono valutati da molti fisici come troppo “classici”.
Nella letteratura filosofica interna del periodo sovietico, l’interpretazione di Copenaghen della teoria quantistica fu criticata per il suo “impegno verso atteggiamenti positivisti” nell’interpretazione del processo cognitivo. Tuttavia, numerosi autori difesero la validità dell’interpretazione di Copenhagen della teoria quantistica. La sostituzione dell'ideale classico della conoscenza scientifica con uno non classico è stata accompagnata dalla comprensione che l'osservatore, cercando di costruire un'immagine di un oggetto, non può essere distratto dalla procedura di misurazione, ad es. il ricercatore non è in grado di misurare i parametri dell'oggetto studiato come erano prima della procedura di misurazione. W. Heisenberg, E. Schrödinger e P. Dirac gettarono il principio di indeterminazione come base della teoria quantistica, nell'ambito della quale le particelle non avevano più quantità di moto e coordinate definite e indipendenti. La teoria quantistica ha quindi introdotto nella scienza un elemento di imprevedibilità e casualità. E sebbene Einstein non potesse essere d'accordo con questo, la meccanica quantistica era coerente con l'esperimento e quindi divenne la base di molti campi della conoscenza.

È questo postulato che è stato dimostrato sperimentalmente dai fisici in molti laboratori in tutto il mondo, non importa quanto possa sembrare strano.Può sembrare insolito ora, ma la fisica quantistica ha iniziato a dimostrare la verità della vecchia antichità: “La tua vita è dove si trova la tua attenzione”. In particolare, il fatto che una persona con la sua attenzione influenzi il mondo materiale circostante predetermina la realtà che percepisce.

Fin dalle sue origini, la fisica quantistica cominciò a cambiare radicalmente l'idea del micromondo e dell'uomo, a partire dalla seconda metà del XIX secolo, con l'affermazione di William Hamilton sulla natura ondulatoria della luce, e proseguendo con l'avanzata scienza quantistica. scoperte degli scienziati moderni. La fisica quantistica ha già molte prove che il micromondo “vive” secondo leggi fisiche completamente diverse, che le proprietà delle nanoparticelle differiscono dal mondo familiare agli esseri umani, che le particelle elementari interagiscono con esso in un modo speciale.
A metà del XX secolo Klaus Jenson ottenne durante gli esperimenti un risultato interessante: durante gli esperimenti fisici, le particelle subatomiche e i fotoni rispondevano con precisione all'attenzione umana, il che portò a risultati finali diversi. Cioè, le nanoparticelle hanno reagito a ciò su cui i ricercatori stavano concentrando la loro attenzione in quel momento. Ogni volta questo esperimento, che è già diventato un classico, sorprende gli scienziati. È stato ripetuto molte volte in molti laboratori in tutto il mondo, e ogni volta i risultati di questo esperimento sono identici, il che ne conferma il valore scientifico e l'affidabilità.
Quindi, per questo esperimento, prepara una sorgente luminosa e uno schermo (una piastra impenetrabile ai fotoni), che ha due fessure. Il dispositivo, che è la sorgente luminosa, “spara” fotoni in singoli impulsi.

Foto 1.
Davanti alla speciale carta fotografica è stato posto uno speciale schermo con due fessure. Come previsto, sulla carta fotografica sono apparse due strisce verticali: tracce di fotoni che illuminavano la carta mentre passavano attraverso queste fessure. Naturalmente, l'avanzamento dell'esperimento è stato monitorato.

Foto 2.
Quando il ricercatore accese il dispositivo e se ne andò per un po ', tornando in laboratorio, rimase incredibilmente sorpreso: sulla carta fotografica i fotoni lasciarono un'immagine completamente diversa - invece di due strisce verticali ce n'erano molte.

Foto 3.
Come è potuto accadere? I segni lasciati sulla carta erano caratteristici di un'onda che passava attraverso le fessure. In altre parole, è stato osservato uno schema di interferenza.

Foto 4.
Un semplice esperimento con i fotoni ha dimostrato che quando osservata (in presenza di un dispositivo rilevatore o osservatore), l'onda si trasforma in uno stato di particella e si comporta come una particella, ma, in assenza di un osservatore, si comporta come un'onda. Si è scoperto che se non si effettuano osservazioni in questo esperimento, la carta fotografica mostra tracce di onde, cioè è visibile uno schema di interferenza. Questo fenomeno fisico venne chiamato “Effetto Osservatore”.

L’esperimento sulle particelle sopra descritto si applica anche alla domanda “Esiste un Dio?” Perché se, con la vigile attenzione dell'Osservatore, qualcosa che ha natura ondulatoria può restare allo stato di materia, reagendo e modificando le sue proprietà, allora chi osserva attentamente l'intero Universo? Chi mantiene tutta la materia in uno stato stabile con la sua attenzione? Non appena una persona nella sua percezione ha il presupposto di poter vivere in un mondo qualitativamente diverso (ad esempio, nel mondo di Dio), solo allora lui, la persona, può vivere? , inizia a cambiare il suo vettore di sviluppo da questa parte e le possibilità di sopravvivere a questa esperienza aumentano molte volte. Cioè, è sufficiente ammettere semplicemente la possibilità di una tale realtà per te stesso. Di conseguenza, non appena una persona accetta la possibilità di acquisire tale esperienza, comincia effettivamente ad acquisirla. Ciò è confermato nel libro “AllatRa” di Anastasia Novykh:

“Tutto dipende dall'Osservatore stesso: se una persona percepisce se stessa come una particella (un oggetto materiale che vive secondo le leggi del mondo materiale), vedrà e percepirà il mondo della materia; se una persona percepisce se stessa come un’onda (esperienze sensoriali, uno stato di coscienza espanso), allora percepisce il mondo di Dio e comincia a capirlo, a vivere secondo esso”.
Nell'esperimento sopra descritto l'osservatore influenza inevitabilmente il corso e i risultati dell'esperimento. Emerge cioè un principio molto importante: è impossibile osservare, misurare e analizzare un sistema senza interagire con esso. Dove c'è interazione, c'è un cambiamento nelle proprietà.
I saggi dicono che Dio è ovunque. Le osservazioni delle nanoparticelle confermano questa affermazione? Questi esperimenti non confermano che l'intero Universo materiale interagisce con Lui nello stesso modo in cui, ad esempio, l'Osservatore interagisce con i fotoni? Questa esperienza non mostra forse che tutto ciò verso cui è diretta l'attenzione dell'Osservatore ne è permeato? Dopotutto, dal punto di vista della fisica quantistica e del principio dell '"effetto osservatore", questo è inevitabile, poiché durante l'interazione il sistema quantistico perde le sue caratteristiche originali, cambiando sotto l'influenza di un sistema più grande. Cioè, entrambi i sistemi, scambiandosi reciprocamente energia e informazioni, si modificano a vicenda.

Se sviluppiamo ulteriormente questa domanda, si scopre che l'Osservatore predetermina la realtà in cui poi vive. Ciò si manifesta come conseguenza della sua scelta. Nella fisica quantistica esiste il concetto di realtà multiple, quando l'Osservatore affronta migliaia di realtà possibili finché non fa la sua scelta finale, scegliendo quindi solo una delle realtà. E quando sceglie per sé la propria realtà, si concentra su di essa, ed essa si manifesta per lui (o lui per lei?).
E ancora, tenendo conto del fatto che una persona vive nella realtà che lui stesso sostiene con la sua attenzione, arriviamo alla stessa domanda: se tutta la materia nell'Universo si basa sull'attenzione, allora chi tiene l'Universo stesso con la sua attenzione? Questo postulato non prova forse l'esistenza di Dio, Colui che può contemplare l'intero quadro?

Ciò non indica forse che la nostra mente è direttamente coinvolta nel funzionamento del mondo materiale? Wolfgang Pauli, uno dei fondatori della meccanica quantistica, una volta disse: “ Le leggi della fisica e della coscienza devono essere viste come complementari" Si può dire con certezza che il signor Pauli aveva ragione. Questo è già molto vicino al riconoscimento mondiale: il mondo materiale è un riflesso illusorio della nostra mente, e ciò che vediamo con i nostri occhi non è in realtà la realtà. Allora qual è la realtà? Dove si trova e come posso trovarlo?
Sempre più scienziati sono inclini a credere che anche il pensiero umano sia soggetto ai processi dei famigerati effetti quantistici. Vivere in un'illusione disegnata dalla mente o scoprire la realtà da soli: questo è ciò che ognuno sceglie per se stesso. Possiamo solo consigliarvi di leggere il libro AllatRa, citato sopra. Questo libro non solo dimostra scientificamente l'esistenza di Dio, ma fornisce anche spiegazioni dettagliate di tutte le realtà, dimensioni esistenti e rivela persino la struttura della struttura energetica umana. Puoi scaricare questo libro in modo completamente gratuito dal nostro sito cliccando sul preventivo qui sotto, oppure andando nell'apposita sezione del sito.

"Chiunque non sia rimasto scioccato quando ha incontrato per la prima volta la teoria quantistica, probabilmente semplicemente non ha capito." Niels Bohr

Le premesse della teoria quantistica sono così sorprendenti da sembrare fantascienza.

Una particella del micromondo può trovarsi in due o più posti contemporaneamente!

(Un esperimento molto recente ha dimostrato che una di queste particelle può trovarsi in 3000 posti contemporaneamente!)

Lo stesso “oggetto” può essere sia una particella localizzata che un'onda di energia che si propaga nello spazio.

Einstein postulò che nulla può viaggiare più veloce della luce. Ma la fisica quantistica lo ha dimostrato: le particelle subatomiche possono scambiarsi informazioni istantaneamente, situate a qualsiasi distanza l'una dall'altra.

La fisica classica era deterministica: date le condizioni iniziali, come la posizione e la velocità di un oggetto, possiamo calcolare dove andrà. La fisica quantistica è probabilistica: non possiamo mai dire con assoluta certezza come si comporterà l’oggetto studiato.

La fisica classica era meccanicistica. Si basa sulla premessa che solo conoscendo le singole parti di un oggetto possiamo capire in definitiva di cosa si tratta.

La fisica quantistica è olistica: dipinge un'immagine dell'Universo come un tutto unico, le cui parti sono interconnesse e si influenzano a vicenda.

E forse la cosa più importante è che la fisica quantistica ha distrutto l’idea di una differenza fondamentale tra soggetto o oggetto, osservatore e osservato, che aveva dominato le menti scientifiche per 400 anni!

Nella fisica del quarto, l'osservatore influenza l'oggetto osservato. Non esistono osservatori isolati dell'Universo meccanico: tutto partecipa alla sua esistenza.

SHOCK N. 1 - SPAZIO VUOTO

Una delle prime crepe nella struttura solida della fisica newtoniana fu creata dalla seguente scoperta: gli atomi sono i solidi mattoni dell'Universo fisico! - sono costituiti principalmente da spazio vuoto. Quanto vuoto? Se ingrandissimo il nucleo di un atomo di idrogeno fino alle dimensioni di una palla da basket, l'unico elettrone in orbita attorno ad esso si troverebbe a trenta chilometri di distanza, senza nulla tra il nucleo e l'elettrone. Quindi, mentre ti guardi intorno, ricorda: la realtà sono i più piccoli punti di materia circondati dal vuoto.

Tuttavia, questo non è del tutto vero. Questo presunto "vuoto" non è in realtà vuoto: contiene una quantità colossale di energia incredibilmente potente. Sappiamo che l'energia diventa più densa man mano che si sposta a un livello inferiore della materia (ad esempio, l'energia nucleare è un milione di volte più potente dell'energia chimica). Oggi gli scienziati dicono che c’è più energia in un centimetro cubo di spazio vuoto che in tutta la materia dell’universo conosciuto. Sebbene gli scienziati non siano stati in grado di misurarlo, stanno vedendo i risultati di questo mare di energia.

SHOCK N. 2 - PARTICELLA, ONDA O ONDAPARTICELLA?

Non solo l’atomo è quasi interamente costituito da “spazio”, ma quando gli scienziati lo hanno esplorato più a fondo, hanno scoperto che nemmeno le particelle subatomiche (che costituiscono l’atomo) sono solide. E sembrano avere una duplice natura. A seconda di come li osserviamo, possono comportarsi come microbi solidi o come onde.

Le particelle sono singoli oggetti solidi che occupano una determinata posizione nello spazio. Ma le onde non hanno un “corpo”; non sono localizzate e si propagano nello spazio;

In quanto onda, un elettrone o un fotone (particella di luce) non ha una posizione precisa, ma esiste come un “campo di probabilità”. Nello stato delle particelle, il campo di probabilità “collassa” (collassa) in un oggetto solido. Le sue coordinate nello spazio-tempo quadridimensionale possono già essere determinate.

Ciò è sorprendente, ma lo stato di una particella (onda o oggetto solido) è determinato da atti di osservazione e misurazione. Gli elettroni non misurati e non osservabili si comportano come onde. Non appena li sottoponiamo all’osservazione durante l’esperimento, “collassano” in particelle solide e possono essere registrate nello spazio.

Ma come può qualcosa essere allo stesso tempo una particella solida e un'onda fluida? Forse il paradosso si risolverà se ricordiamo quello che abbiamo detto recentemente: le particelle si comportano come onde o come oggetti solidi. Ma i concetti di "onda" e "particella" sono solo analogie prese dal nostro mondo quotidiano. Il concetto di onda è stato introdotto nella teoria quantistica da Erwin Schrödinger. È l'autore della famosa "equazione delle onde", che dimostra matematicamente l'esistenza di proprietà ondulatorie in una particella solida prima dell'atto di osservazione. Alcuni fisici, nel tentativo di spiegare qualcosa che non hanno mai incontrato e che non riescono a comprendere appieno, chiamano le particelle subatomiche “particelle d’onda”.

SHOCK N. 3 - SALTI QUANTISTICI E PROBABILITÀ

Studiando l'atomo, gli scienziati hanno scoperto che quando gli elettroni, ruotando attorno al nucleo, si spostano da un'orbita all'altra, non si muovono nello spazio come gli oggetti normali. No, coprono la distanza all'istante. Cioè, scompaiono in un posto e appaiono in un altro. Questo fenomeno è stato chiamato salto quantico.

Inoltre, gli scienziati si sono resi conto che non potevano determinare esattamente dove nella nuova orbita sarebbe apparso l'elettrone mancante o in quale momento avrebbe fatto un salto. Il massimo che potevano fare era calcolare la probabilità (basata sull'equazione delle onde di Schrödinger) della nuova posizione dell'elettrone.

"La realtà, così come la sperimentiamo, viene creata in ogni momento nella totalità di innumerevoli possibilità", afferma il dottor Satinover. “Ma il vero segreto è che non c’è nulla nell’Universo fisico che determini quale possibilità di questa totalità si avvererà. Non c’è nessun processo che lo stabilisca”.

Pertanto, i salti quantici sono gli unici eventi veramente casuali nell’Universo.

SHOCK N. 4 - IL PRINCIPIO DI INCERTEZZA

Nella fisica classica, tutti i parametri di un oggetto, comprese le sue coordinate spaziali e la velocità, possono essere misurati con una precisione limitata solo dalle capacità delle tecnologie sperimentali. Ma a livello quantistico, ogni volta che si determina una caratteristica quantitativa di un oggetto, come la velocità, non è possibile ottenere valori precisi per gli altri suoi parametri, come le coordinate. In altre parole: se sai quanto velocemente si muove un oggetto, non puoi sapere dove si trova. E viceversa: se sai dove si trova, non puoi sapere quanto velocemente si sta muovendo.

Non importa quanto sofisticati siano gli sperimentatori, non importa quanto avanzate siano le tecnologie di misurazione che utilizzano, non sono in grado di guardare dietro questo velo.

Werner Heisenberg, uno dei pionieri della fisica quantistica, formulò il principio di indeterminazione. La sua essenza è la seguente: non importa quanto ci provi, è allo stesso tempo impossibile ottenere valori esatti delle coordinate e della velocità di un oggetto quantistico. Maggiore è la precisione che raggiungiamo nella misurazione di un parametro, più incerto diventa l’altro.

SHOCK N.5 - NONLOCALITÀ, PARADOSSO EPR E TEOREMA DI BELL

Ad Albert Einstein non piaceva la fisica quantistica. Valutando la natura probabilistica dei processi subatomici delineati nella fisica quantistica, ha affermato: “Dio non gioca a dadi con l’Universo”. Ma Niels Bohr gli rispose: “Smettila di insegnare a Dio cosa fare!”

Nel 1935, Einstein e i suoi colleghi Podolsky e Rosen (EPR) tentarono di sconfiggere la teoria quantistica. Gli scienziati, basandosi sui principi della meccanica quantistica, hanno condotto un esperimento mentale e sono giunti a una conclusione paradossale. (Avrebbe dovuto mostrare l'inferiorità della teoria quantistica). L'essenza dei loro pensieri è questa. Se abbiamo due particelle che sorgono simultaneamente, significa che sono interconnesse o sono in uno stato di sovrapposizione. Mandiamoli ai diversi estremi dell'Universo. Quindi cambiamo lo stato di una delle particelle. Quindi, secondo la teoria quantistica, un'altra particella arriva istantaneamente allo stesso stato. Immediatamente! Dall'altra parte dell'universo!

Un’idea del genere era così ridicola che Einstein la definì sarcasticamente “azione soprannaturale a distanza”. Secondo la sua teoria della relatività, nulla può viaggiare più veloce della luce. E nell'esperimento EPR si è scoperto che la velocità di scambio di informazioni tra le particelle è infinita! Inoltre, l'idea stessa che un elettrone potesse "tracciare" lo stato di un altro elettrone sul bordo opposto dell'Universo contraddiceva completamente le idee generalmente accettate sulla realtà, e in effetti il ​​buon senso in generale.

Ma nel 1964 il fisico teorico irlandese John Bell formulò e dimostrò un teorema da cui segue: le “ridicole” conclusioni dell’esperimento mentale EPR sono vere!

Le particelle sono intimamente connesse a un livello che trascende il tempo e lo spazio. Pertanto, sono in grado di scambiare istantaneamente informazioni.

L'idea che qualsiasi oggetto nell'Universo sia locale, ad es. esiste in un posto (punto) nello spazio - non è vero. Tutto in questo mondo è non locale.

Tuttavia, questo fenomeno è una legge valida dell'Universo. Schrödinger diceva che la relazione tra gli oggetti non è l'unico aspetto interessante della teoria quantistica, ma è il più importante. Nel 1975, il fisico teorico Henry Stapp definì il teorema di Bell "la scoperta più significativa della scienza". Si noti che stava parlando di scienza, non solo di fisica.

(L'articolo è stato preparato sulla base dei materiali del libro di W. Arntz, B. Chace, M. Vicente “The Rabbit Hole, o cosa sappiamo di noi stessi e dell'Universo?”, capitolo “Fisica quantistica”.)

Nel 1935, quando la meccanica quantistica e la teoria della relatività generale di Einstein erano ancora molto giovani, il non così famoso fisico sovietico Matvei Bronstein, all'età di 28 anni, fece il primo studio dettagliato della riconciliazione di queste due teorie nella teoria quantistica della gravità. Questa “forse una teoria del mondo intero”, come scrisse Bronstein, potrebbe soppiantare la descrizione classica della gravità di Einstein, in cui è vista come curve nel continuum spazio-temporale, e riscriverla in linguaggio quantistico, come il resto della fisica.

Bronstein scoprì come descrivere la gravità in termini di particelle quantizzate, ora chiamate gravitoni, ma solo quando la forza di gravità è debole, cioè (nella relatività generale) quando lo spaziotempo è così leggermente curvo da essere essenzialmente piatto. Quando la gravità è forte, “la situazione è completamente diversa”, ha scritto lo scienziato. “Senza una profonda revisione dei concetti classici, sembra quasi impossibile immaginare una teoria quantistica della gravità in questo settore”.

Le sue parole erano profetiche. Ottantatré anni dopo, i fisici stanno ancora cercando di capire come la curvatura dello spaziotempo si manifesta su scala macroscopica, derivante da un quadro della gravità più fondamentale e presumibilmente quantistico; Questa è forse la domanda più profonda della fisica. Forse, se ce ne fosse la possibilità, la mente brillante di Bronstein accelererebbe il processo di questa ricerca. Oltre alla gravità quantistica, ha dato contributi anche all'astrofisica e alla cosmologia, alla teoria dei semiconduttori, all'elettrodinamica quantistica e ha scritto diversi libri per bambini. Nel 1938 cadde sotto la repressione di Stalin e fu giustiziato all'età di 31 anni.

La ricerca di una teoria completa della gravità quantistica è complicata dal fatto che le proprietà quantistiche della gravità non si manifestano mai nell’esperienza reale. I fisici non vedono come venga violata la descrizione di Einstein di un continuum spazio-temporale regolare, o l’approssimazione quantistica di Bronstein di esso in uno stato leggermente curvo.

Il problema è l’estrema debolezza della forza gravitazionale. Mentre le particelle quantizzate che trasmettono forze forti, deboli ed elettromagnetiche sono così forti da legare strettamente la materia negli atomi e possono essere esaminate letteralmente sotto una lente d'ingrandimento, i singoli gravitoni sono così deboli che i laboratori non hanno alcuna possibilità di rilevarli. Per avere un’alta probabilità di catturare un gravitone, il rilevatore di particelle dovrebbe essere così grande e massiccio da collassare in un buco nero. Questa debolezza spiega perché sono necessari accumuli astronomici di massa per influenzare altri corpi massicci attraverso la gravità, e perché vediamo effetti gravitazionali su scale enormi.

Non è tutto. L’universo sembra essere soggetto a una sorta di censura cosmica: regioni di forte gravità – dove le curve dello spaziotempo sono così strette che le equazioni di Einstein falliscono e la natura quantistica della gravità e dello spaziotempo deve essere rivelata – si nascondono sempre dietro gli orizzonti dei buchi neri.

"Anche pochi anni fa, c'era un consenso generale sul fatto che molto probabilmente era impossibile misurare in alcun modo la quantizzazione del campo gravitazionale", afferma Igor Pikovsky, fisico teorico dell'Università di Harvard.

Ora, diversi articoli recenti pubblicati su Physical Review Letters hanno cambiato la situazione. Questi articoli sostengono che potrebbe essere possibile arrivare alla gravità quantistica, anche senza saperne nulla. Gli articoli, scritti da Sugato Bose dell'University College di Londra e Chiara Marletto e Vlatko Vedral dell'Università di Oxford, propongono un esperimento tecnicamente impegnativo ma fattibile che potrebbe confermare che la gravità è una forza quantistica come tutte le altre, senza richiedere la rilevazione di un gravitone . Miles Blencowe, un fisico quantistico del Dartmouth College che non è stato coinvolto in questo lavoro, afferma che un simile esperimento potrebbe rivelare una chiara firma della gravità quantistica invisibile: "il sorriso dello Stregatto".

L'esperimento proposto determinerà se due oggetti (il gruppo di Bose prevede di utilizzare una coppia di microdiamanti) possono rimanere intrecciati in modo quantistico tra loro attraverso la reciproca attrazione gravitazionale. L'entanglement è un fenomeno quantistico in cui le particelle si intrecciano inseparabilmente, condividendo un'unica descrizione fisica che definisce i loro possibili stati combinati. (La coesistenza di diversi stati possibili è chiamata "sovrapposizione" e definisce un sistema quantistico.) Ad esempio, una coppia di particelle aggrovigliate può esistere in una sovrapposizione in cui la particella A ha una probabilità del 50% di ruotare dal basso verso l'alto e la particella B ruoterà dall'alto verso il basso e con una probabilità del 50% viceversa. Nessuno sa in anticipo quale risultato otterrai misurando la direzione della rotazione delle particelle, ma puoi star certo che sarà lo stesso per loro.

Gli autori sostengono che i due oggetti nell'esperimento proposto possono rimanere intrecciati in questo modo solo se la forza che agisce tra loro - in questo caso la gravità - è un'interazione quantistica mediata dai gravitoni, che può supportare le sovrapposizioni quantistiche. "Se l'esperimento viene eseguito e si ottiene l'entanglement, secondo il lavoro, possiamo concludere che la gravità è quantizzata", ha spiegato Blencowe.

Confondi il diamante

La gravità quantistica è così sottile che alcuni scienziati hanno dubitato della sua esistenza. Il noto matematico e fisico Freeman Dyson, 94 anni, sostiene dal 2001 che l’universo potrebbe supportare una sorta di descrizione “dualistica” in cui “il campo gravitazionale descritto dalla teoria generale della relatività di Einstein sarebbe un campo puramente classico senza alcun comportamento quantistico”. , mentre tutta la materia in questo fluido continuum spazio-temporale sarà quantizzata da particelle che obbediscono alle regole della probabilità.

Dyson, che ha contribuito a sviluppare l’elettrodinamica quantistica (la teoria delle interazioni tra materia e luce) ed è professore emerito presso l’Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey, non crede che la gravità quantistica sia necessaria per descrivere gli interni irraggiungibili dei buchi neri. . E crede anche che rilevare un ipotetico gravitone potrebbe essere impossibile in linea di principio. In tal caso, dice, la gravità quantistica sarebbe metafisica, non fisica.

Non è l'unico scettico. Il famoso fisico inglese Sir Roger Penrose e lo scienziato ungherese Lajos Diosi hanno proposto indipendentemente che lo spaziotempo non possa supportare sovrapposizioni. Credono che la sua natura liscia, rigida, fondamentalmente classica gli impedisca di piegarsi in due possibili percorsi contemporaneamente - ed è questa rigidità che porta al collasso delle sovrapposizioni di sistemi quantistici come elettroni e fotoni. La “decoerenza gravitazionale”, a loro avviso, consente il verificarsi di un’unica, solida realtà classica che può essere percepita su scala macroscopica.

La capacità di trovare il “sorriso” della gravità quantistica sembrerebbe confutare la tesi di Dyson. Inoltre uccide la teoria della decoerenza gravitazionale dimostrando che la gravità e lo spaziotempo supportano effettivamente le sovrapposizioni quantistiche.

Le proposte di Bose e Marletto sono apparse contemporaneamente e del tutto per caso, anche se gli esperti notano che riflettono lo spirito dei tempi. I laboratori sperimentali di fisica quantistica di tutto il mondo stanno inserendo oggetti microscopici sempre più grandi in sovrapposizioni quantistiche e ottimizzando i protocolli per testare l’entanglement di due sistemi quantistici. L'esperimento proposto dovrebbe combinare queste procedure, richiedendo al contempo ulteriori miglioramenti in termini di scala e sensibilità; forse ci vorranno dieci anni. "Ma non esiste un vicolo cieco fisico", afferma Pikovsky, che sta anche esplorando come gli esperimenti di laboratorio potrebbero sondare i fenomeni gravitazionali. “Penso che sia difficile, ma non impossibile.”

Questo piano è delineato in modo più dettagliato nel lavoro di Bose et al - Ocean's Eleven Experts for Different Stages of the Proposal. Ad esempio, nel suo laboratorio presso l'Università di Warwick, il coautore Gavin Morley sta lavorando al primo passo, cercando di mettere un microdiamante in una sovrapposizione quantistica in due punti. Per fare ciò, confina un atomo di azoto nel microdiamante, accanto a un posto vacante nella struttura del diamante (il cosiddetto centro NV, o posto vacante con azoto sostituito nel diamante), e lo carica con un impulso a microonde. Un elettrone che ruota attorno al centro NV assorbe simultaneamente la luce e non la assorbe, e il sistema entra in una sovrapposizione quantistica di due direzioni di rotazione - su e giù - come una trottola che ruota in senso orario con una certa probabilità e in senso antiorario con una certa probabilità. Un microdiamante caricato con questo spin di sovrapposizione è soggetto a un campo magnetico che fa sì che lo spin superiore si sposti verso sinistra e quello inferiore si sposti verso destra. Il diamante stesso si divide in una sovrapposizione di due traiettorie.

In un esperimento completo, gli scienziati farebbero tutto questo con due diamanti – rosso e blu, per esempio – posti uno accanto all’altro in un vuoto ultrafreddo. Quando la trappola che li trattiene verrà spenta, i due microdiamanti, ciascuno in una sovrapposizione di due posizioni, cadranno verticalmente nel vuoto. Mentre i diamanti cadono, sentiranno la gravità di ciascuno di essi. Quanto sarà forte la loro attrazione gravitazionale?

Se la gravità è una forza quantistica, la risposta è: dipende. Ciascun componente della sovrapposizione del diamante blu subirà un'attrazione più o meno forte verso il diamante rosso, a seconda che quest'ultimo si trovi in ​​un ramo della sovrapposizione più vicino o più lontano. E la gravità che sentirà ogni componente della sovrapposizione del diamante rosso dipende allo stesso modo dallo stato del diamante blu.

In ciascun caso, vari gradi di attrazione gravitazionale agiscono sui componenti in evoluzione delle sovrapposizioni dei diamanti. I due diamanti diventano interdipendenti perché i loro stati possono essere determinati solo in combinazione – se questo significa questo – quindi alla fine le direzioni di rotazione dei due sistemi di centri NV saranno correlate.

Dopo che i microdiamanti cadono fianco a fianco per tre secondi – abbastanza a lungo da rimanere impigliati nella gravità – passeranno attraverso un altro campo magnetico, che riunirà i rami di ciascuna sovrapposizione. Il passo finale dell'esperimento è il protocollo del testimone dell'entanglement sviluppato dalla fisica danese Barbara Theral e altri: i diamanti blu e rossi entrano in diversi dispositivi che misurano le direzioni di rotazione dei sistemi centrali NV. (La misurazione fa sì che le sovrapposizioni collassino in determinati stati.) I due risultati vengono poi confrontati. Eseguendo l'esperimento più e più volte e confrontando molte coppie di misurazioni di spin, gli scienziati possono determinare se gli spin di due sistemi quantistici effettivamente sono correlati più spesso del limite superiore per gli oggetti che non sono entangled dalla meccanica quantistica. Se è così, la gravità in realtà impiglia i diamanti e potrebbe supportare sovrapposizioni.

"La cosa interessante di questo esperimento è che non è necessario sapere cos'è la teoria quantistica", afferma Blencowe. “Tutto ciò che serve è dire che c’è qualche aspetto quantistico in questa regione che è mediato dalla forza tra due particelle”.

Ci sono molte difficoltà tecniche. L'oggetto più grande che prima era stato posto in sovrapposizione in due punti era una molecola di 800 atomi. Ogni microdiamante contiene più di 100 miliardi di atomi di carbonio, sufficienti per accumulare una notevole forza gravitazionale. Scoprire la sua natura quantistica richiederà basse temperature, vuoti profondi e un controllo preciso. "C'è molto lavoro da fare per mettere in funzione la sovrapposizione iniziale", afferma Peter Barker, parte del team sperimentale che sta perfezionando le tecniche di raffreddamento laser e di intrappolamento dei microdiamanti. Se questo potesse essere fatto con un diamante, aggiunge Bose, “un secondo non sarebbe un problema”.

Cosa rende unica la gravità?

I ricercatori della gravità quantistica non hanno dubbi sul fatto che la gravità sia un’interazione quantistica che può causare entanglement. Naturalmente, la gravità è in qualche modo unica e c’è ancora molto da imparare sulle origini dello spazio e del tempo, ma la meccanica quantistica dovrebbe sicuramente essere coinvolta, dicono gli scienziati. "In realtà, qual è lo scopo di una teoria in cui la maggior parte della fisica è quantistica e la gravità è classica", afferma Daniel Harlow, ricercatore sulla gravità quantistica al MIT. Gli argomenti teorici contro i modelli misti quantistici-classici sono molto forti (anche se non conclusivi).

D’altra parte, i teorici hanno già sbagliato in passato. “Se puoi verificarlo, perché no? Se questo mettesse a tacere queste persone che mettono in dubbio la natura quantistica della gravità, sarebbe fantastico”, dice Harlow.

Dopo aver letto gli articoli, Dyson scrisse: “L’esperimento proposto è certamente di grande interesse e deve essere condotto nelle condizioni di un sistema quantistico reale”. Tuttavia, egli nota che le linee di pensiero degli autori sui campi quantistici differiscono dalle sue. “Non mi è chiaro se questo esperimento possa risolvere la questione dell’esistenza della gravità quantistica. La domanda che stavo ponendo – se si osserva un singolo gravitone – è una domanda diversa e potrebbe avere una risposta diversa”.

La linea di pensiero di Bose, Marletto e dei loro colleghi sulla gravità quantizzata deriva dal lavoro di Bronstein già nel 1935. (Dyson ha definito il lavoro di Bronstein "un bellissimo lavoro" che non aveva mai visto prima). In particolare, Bronstein dimostrò che la gravità debole generata da una piccola massa può essere approssimata dalla legge di gravitazione di Newton. (Questa è la forza che agisce tra sovrapposizioni di microdiamanti). Secondo Blencowe i calcoli della gravità quantizzata debole non sono stati particolarmente effettuati, anche se sono certamente più rilevanti della fisica dei buchi neri o del Big Bang. Spera che la nuova proposta sperimentale incoraggi i teorici a cercare sottili perfezionamenti all'approssimazione di Newton, che futuri esperimenti da tavolo potrebbero provare a testare.

Leonard Susskind, noto teorico della gravità quantistica e delle stringhe presso l'Università di Stanford, ha riconosciuto il valore dell'esperimento proposto perché "fornisce osservazioni della gravità in un nuovo intervallo di masse e distanze". Ma lui e altri ricercatori hanno sottolineato che i microdiamanti non possono rivelare nulla sulla teoria completa della gravità quantistica o dello spazio-tempo. Lui e i suoi colleghi vorrebbero capire cosa succede al centro di un buco nero e al momento del Big Bang.

Forse un indizio del motivo per cui quantizzare la gravità è molto più difficile di qualsiasi altra cosa è che altre forze della natura hanno quella che viene chiamata “località”: le particelle quantistiche in una regione del campo (i fotoni in un campo elettromagnetico, per esempio) sono “indipendenti da altre entità fisiche in un'altra regione dello spazio", afferma Mark van Raamsdonk, teorico della gravità quantistica presso l'Università della British Columbia. "Ma ci sono molte prove teoriche che la gravità non funziona in questo modo."

Nei migliori modelli sandbox della gravità quantistica (con geometrie spazio-temporali semplificate), è impossibile presumere che il nastro di tessuto spazio-temporale sia diviso in pezzi tridimensionali indipendenti, afferma van Raamsdonk. Invece, la teoria moderna suggerisce che le componenti fondamentali e sottostanti dello spazio sono "organizzate piuttosto in modo bidimensionale". Il tessuto dello spaziotempo potrebbe essere come un ologramma o un videogioco. "Sebbene l'immagine sia tridimensionale, l'informazione è memorizzata su un chip di computer bidimensionale." In questo caso il mondo tridimensionale sarebbe un’illusione nel senso che le sue diverse parti non sarebbero così indipendenti. Nell'analogia di un videogioco, pochi bit su un chip bidimensionale possono codificare le funzioni globali dell'intero universo del gioco.

E questa differenza è importante quando si tenta di creare una teoria quantistica della gravità. L’approccio usuale per quantizzare qualcosa consiste nell’identificare le sue parti indipendenti – le particelle, per esempio – e quindi applicare ad esse la meccanica quantistica. Ma se non definisci i componenti giusti, ti ritroverai con le equazioni sbagliate. La quantizzazione diretta dello spazio tridimensionale che Bronstein voleva realizzare funziona in una certa misura con gravità debole, ma risulta essere inutile quando lo spaziotempo è molto curvo.

Alcuni esperti sostengono che assistere al “sorriso” della gravità quantistica potrebbe motivare questo tipo di ragionamento astratto. Dopotutto, anche le argomentazioni teoriche più forti sull’esistenza della gravità quantistica non sono supportate da fatti sperimentali. Quando van Raamsdonk spiega la sua ricerca in un convegno scientifico, dice, di solito inizia con una storia su come la gravità debba essere ripensata con la meccanica quantistica perché la descrizione classica dello spaziotempo viene meno con i buchi neri e il Big Bang.

“Ma se si fa questo semplice esperimento e si dimostra che il campo gravitazionale era in sovrapposizione, il fallimento della descrizione classica diventa evidente. Perché ci sarà un esperimento che implica che la gravità è quantistica”.

Basato su materiali di Quanta Magazine

Obiettivi della lezione:

Educativo: formare negli studenti un'idea dell'effetto fotoelettrico e studiarne le leggi a cui obbedisce; testare le leggi dell'effetto fotoelettrico utilizzando un esperimento virtuale.

Sviluppo: sviluppare il pensiero logico.

Educativo: sviluppare la socievolezza (capacità di comunicare), attenzione, attività, senso di responsabilità, instillare interesse per la materia.

Durante le lezioni

I. Momento organizzativo.

– L’argomento della lezione di oggi è “Effetto foto”.

Considerando questo argomento interessante, continuiamo a studiare la sezione "Fisica quantistica", cercheremo di scoprire quale effetto ha la luce sulla materia e da cosa dipende questo effetto. Ma prima esamineremo il materiale trattato nell'ultima lezione, senza il quale sarà difficile comprendere le complessità dell'effetto fotografico. Nell'ultima lezione abbiamo esaminato l'ipotesi di Planck.

Come si chiama la quantità minima di energia che un sistema può emettere e assorbire? (quantistico)

Chi per primo ha introdotto nella scienza il concetto di “quanto di energia”? (M. Planck)

Una spiegazione di quale dipendenza sperimentale ha contribuito all’emergere della fisica quantistica? (legge dell'irraggiamento dei solidi riscaldati)

Che colore vediamo in un corpo completamente nero? (qualsiasi colore a seconda della temperatura)

III. Imparare nuovo materiale

All'inizio del 20 ° secolo nacque la teoria quantistica, la teoria del movimento e dell'interazione delle particelle elementari e dei sistemi da esse costituiti.

Per spiegare le leggi della radiazione termica, M. Planck ha suggerito che gli atomi emettono energia elettromagnetica non continuamente, ma in porzioni separate: i quanti. L'energia di ciascuna di queste porzioni è determinata dalla formula E = H, Dove
-costante di Planck; v è la frequenza dell'onda luminosa.

Un'altra conferma della correttezza della teoria quantistica fu la spiegazione di Albert Einstein nel 1905. fenomeno effetto fotoelettrico

Effetto foto– il fenomeno per cui gli elettroni vengono espulsi da sostanze solide e liquide sotto l’influenza della luce.

Tipi di EFFETTO FOTO:

1. L'effetto fotoelettrico esterno è l'emissione di elettroni da parte di una sostanza sotto l'influenza della radiazione elettromagnetica. L'effetto fotoelettrico esterno si osserva nei solidi e anche nei gas.

2. L'effetto fotoelettrico interno è la radiazione elettromagnetica che provoca la transizione degli elettroni all'interno di un conduttore o dielettrico dagli stati legati a quelli liberi senza fuoriuscire all'esterno.

3. Effetto fotoelettrico della valvola - aspetto della foto - fem. quando si illumina il contatto di due diversi semiconduttori o di un semiconduttore e un metallo.

Effetto fotoelettrico fu scoperto nel 1887 da un fisico tedesco G.Hertz e nel 1888-1890 fu studiato sperimentalmente da A.G. Stoletov. Lo studio più completo del fenomeno dell'effetto fotoelettrico fu condotto da F. Lenard nel 1900. A quest'epoca l'elettrone era già stato scoperto (1897, J. Thomson), e divenne chiaro che l'effetto fotoelettrico (o più precisamente, l'effetto fotoelettrico esterno) consiste nell'espulsione di elettroni da una sostanza sotto l'influenza della luce incidente su di essa.

Studio dell'effetto fotoelettrico.

I primi esperimenti sull'effetto fotoelettrico furono avviati da Stoletov già nel febbraio 1888.

Gli esperimenti hanno utilizzato una bottiglia sottovuoto in vetro con due elettrodi metallici, la cui superficie è stata accuratamente pulita. Una certa tensione è stata applicata agli elettrodi U, la cui polarità può essere modificata tramite doppia chiave. Uno degli elettrodi (catodo K) era illuminato attraverso una finestra di quarzo con luce monocromatica di una certa lunghezza d'onda. A flusso luminoso costante, è stata presa la dipendenza dall'intensità della fotocorrente IO dalla tensione applicata.

Leggi dell'effetto fotoelettrico

La fotocorrente di saturazione è direttamente proporzionale al flusso luminoso incidente.

l'energia cinetica massima dei fotoelettroni aumenta linearmente con la frequenza della luce e non dipende dalla sua intensità.

Per ogni sostanza esiste una frequenza minima prestabilita, chiamata limite rosso dell'effetto fotoelettrico, al di sotto della quale l'effetto fotoelettrico è impossibile.

Secondo l'ipotesi di M. Planck, un'onda elettromagnetica è costituita da singoli fotoni e la radiazione avviene in modo discontinuo - in quanti, fotoni. Pertanto, anche l'assorbimento della luce deve avvenire in modo discontinuo: i fotoni trasferiscono la loro energia agli atomi e alle molecole dell'intera sostanza.

– Equazione di Einstein per l’effetto fotoelettrico

mv 2 /2 = eU 0 – valore massimo dell'energia cinetica del fotoelettrone;

– la frequenza minima della luce alla quale è possibile l'effetto fotoelettrico;

V max = hc/ Aout – frequenza luminosa massima alla quale è possibile l'effetto fotoelettrico

- Bordo rosso effetto foto

- momento del fotone

Conversazione con chiarimento di termini e concetti.

Il fenomeno per cui una sostanza emette elettroni sotto l'influenza della luce è chiamato...

Il numero di elettroni emessi dalla luce dalla superficie di una sostanza in 1 s è direttamente proporzionale a...

L'energia cinetica dei fotoelettroni aumenta linearmente con... e non dipende da...

Per ogni sostanza esiste una frequenza minima della luce alla quale l'effetto fotoelettrico è ancora possibile. Questa frequenza si chiama...

Il lavoro necessario per rimuovere gli elettroni dalla superficie di una sostanza si chiama...

Equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico (formulazione)…

IV. Consolidamento e generalizzazione della conoscenza.

Problema 1. Qual è la frequenza più bassa della luce alla quale si osserva ancora l'effetto fotoelettrico se la funzione lavoro di un elettrone del metallo è 3,3 * 10 -19 J?

Compito 2. Determinare l'energia, la massa e la quantità di moto del fotone corrispondente alle onde più lunghe e più corte dello spettro visibile?

Soluzione:

Problema 3. Trovare la soglia dell'effetto fotoelettrico per il potassio se la funzione di lavoro A = 1,32 EV?

Soluzione:

Nell'equazione di Einstein

Utilizzando le formule che hai scritto, risolvi i seguenti problemi da soli.

La funzione lavoro per il materiale della piastra è 4 eV. La placca è illuminata con luce monocromatica. Qual è l'energia dei fotoni della luce incidente se l'energia cinetica massima dei fotoelettroni è 2,5 eV?

Una piastra di nichel è esposta a una radiazione elettromagnetica con un'energia fotonica di 8 eV. In questo caso, per effetto fotoelettrico, dalla piastra vengono emessi elettroni con un'energia massima di 3 eV. Qual è la funzione lavoro degli elettroni del nichel?

Un flusso di fotoni con un'energia di 12 eV elimina i fotoelettroni dal metallo, la cui energia cinetica massima è 2 volte inferiore alla funzione di lavoro. Determinare la funzione lavoro per il metallo dato.

La funzione lavoro di un elettrone da un metallo. Trovare la lunghezza d'onda massima della radiazione che può espellere gli elettroni.

Determina la funzione lavoro degli elettroni del metallo se il limite rosso dell'effetto fotoelettrico è 0,255 µm.

Per alcuni metalli, il limite rosso dell'effetto fotoelettrico è la luce con una frequenza . Determina l'energia cinetica che gli elettroni acquisiranno sotto l'influenza della radiazione con una lunghezza d'onda

Preparare una presentazione sul tema “Applicazione dell’effetto fotoelettrico”