Деякі особливості вивчення квантової оптики в школі

Нехай паралельний пучок монохроматичних світлових променів проходить крізь щілину. Як відомо, на екрані, розміщеному за щілиною, виникає дифракційна картина. Нагадуємо учням, що з погляду хвильової теориії максимуми й мінімуми освітленості дифракцшної картини визначаються різними значеннями квадрата амплітуди світлової хвилі в цих точках простору: . Потім повідомляємо, що з погляду квантової теорії дифракційна картина означає, що під час проходження світла крізь щілину відбувається статистичний перерозподіл фотонів у просторі. Освітленість екрана залежить від кількості фотонів n, які потрапляють в ту чи іншу його точку: ~. Співставляючи обидва вирази для освітленості, маємо, що ~. Тобто квадрат амплітуди свгтлової хвилі в точці простору пропорціний числу фотонів, що потрапляють у цю точку. Отже, квадрат амплітуди світлової хвилі в даній точці визначаєть ймовірнюсть потрапляння фотонів у цю точку простору.

Повертаючись до нашого досліду, будемо зменшувати інтенсивність світлового пучка до тих пір, поки він не буде складатися з окремих фотонів. Простежимо за рухом окремого фотона. Виявляеться, що, незважаючи на те, що умови досліду для кожного фотона однакові кожний фотон "поводить себе по-своєму". Він з певною ймовірністю може попасти в ту чи іншу точку екрана. Але якщо спостерігати тривалий час, то результат виявляється такий же, як i у випадку, коли на щілину падає світловий потік, що складається з великої кількості фотонів. Таким чином, дослід указує на те, що хвильові властивості притаманні не тільки сукупності великої кількості фотонів, які одночасно рухаються, а й кожному окремому фотону.

Робимо висновок: поведінка фотона має принципово ймовірнісний характер. Неможливо точно визначити, у яку саме точку екрана потрапить фотон після проходження щілини. Можна говорити лише про ймовірність потрапляння кожного фотона в ту чи іншу точку екрана. Пояснюємо учням, що це — результат хвильових властивостей кожного окремого фотона.

Розглянутий дослід важливий i тим, що вказує на зв'язок між квантовими й хвильовими властивостями світла, поглиблює уявлення учнів про корпускулярно-хвильовий дуалізм. Крім того, він вказує, що поведінці окремого мікрооб'єкту властива як випадковість, а й ймовірність цієї поведінки — як необхідність. Потрапляння фотона, який пройшов щілину, в ту чи іншу точку екрана є випадковим, а виникнення на екран результуючої дифракційної картини — необхідним.

При вивчені квантових властивостей світла використовуються деякі положення теорії відносності, зокрема закон взаємозв'язку між масою i енергією. Для більш високого наукового рівня викладу матеріалу потрібно, щоб учні попередньо були ознайомлені i з релятивістським співвідношенням між енергією та імпульсом. Як відомо, енергія й імпульс є універсальними характеристиками матеріальної точки у вільному стані.У процесі взаемодії енергія й імпульс матеріальної точки змінюються, але таким чином, що їхній зв’язок описується співвідношенням , де — повна енергія матеріальної точки, — її імпульс, — маса спокою.

Ця формула е фундаментальним співвідношенням релятивістської механіки. Оскільки це співвідношення е наслідком властивостей простору-часу, то воно є універсальним для будь-яких фізичних об'єктів, у тому числі й для фотону.

У шкільних підручниках вираз для імпульсу фотона записується за відомою із механіки формулою . Але цю формулу для фотона неможливо застосовувати без важливих додаткових пояснень. Науково обгрунтованим є виведення формули для імпульсу фотона саме із релятивістського співвідношення між енергією й імпульсом.

Для фотона і , тому

де — маса фотона, яка визначається за формулою .

Це цікаво:

Х.Д. Алчевська – пропагандист кращих здобутків української демократичної літератури
Найбільш виразно демократичне спрямування педагогічної системи Х.Д. Алчевської виявляється у її великій тритомній методико-бібліографічній праці, створеній разом із групою педагогів Харківської недільної школи. З ініціативи Алчевської, під її керівництвом і за її найактивнішої участі учительки Харк ...

Гра - активна форма пізнання навколишньої дійсності
Психологічні дослідження О. Леонтьєва, О. Запорожця, Д. Ельконіна, А. Люблінської та інших показали, що грі притаманні риси, характерні для будь - якої діяльності. Гра - активна форма пізнання навколишньої дійсності. Різноманітність її форм вводить дитину в коло реальних життєвих явищ. Дитина пізна ...

Характеристика читання як виду мовленнєвої діяльності
У початковій школі на уроках читання є величезні можливості для розвитку в учнів грамотного, логічно побудованого і образного мовлення, багатого за своїм структурно-логічним і змістовним складом. Приділяючи спеціальну увагу такому розвитку учнів, учитель готує їх до уважного сприймання художньої лі ...