Все вокруг волны или частицы?🌊⚛
Все мы из старшей школы знаем, что свет – это одновременно и частица, и волна, т.к. в разных ситуациях может проявлять свойства и того и другого. Например, свет, как поток частиц, имеющих энергию и импульс, может оказывать давление на поверхность или нагревать ее (частицы ударяются, как шарики о поверхность). В то же время есть явления дифракции и интерференции, присущие только волнам.
Однако, Луи де Бройль в 20-м веке задался вопросом: а почему только свет обладает такими двойными свойствами? Может и другие частицы их проявляют? И, как показала экспериментальная практика в дальнейшем, оказался прав.
Де Бройль в своей гипотезе предположил, что все частицы материи ведут себя не только как маленькие шарики, но и как волны. Причем длину волны этих частиц он решил искать по аналогии с фотонами.
Внимание, дальше формулы, но совсем чуть-чуть.
Энергия фотона
где h–постоянная Планка, с – скорость света, λ - длина волны.
Перенес эту формулу на частицы, которые имеют, в отличие от фотона, конкретную массу и свою скорость, немного скрестил релятивистскую и классическую механику, и, перейдя от энергии к импульсу выдал формулу для длины волны частицы:
где p–импульс частицы, который в классической механике, если частица движется гораздо медленнее скорости света, будет равен
p=mv.
Эта длина волны, ожидаемо, стала называться длиной волны де Бройля.
Говоря «скрестил», я опускаю некоторые детали вывода формул для упрощения рассказа.
По гипотезе де Бройля все движущееся вокруг является одновременно и отдельными объектами (корпускулами), и волнами. Так возникла теория корпускулярно-волнового дуализма не только для света, но и для всех частиц и предметов.
Это что получается, движущийся автомобиль, мой кот, бегающий по квартире, пуля, вылетевшая из пистолета и электрон в колонне электронного микроскопа, проявляют волновые свойства?
Теоретически, да. Но мы этого не увидим, т.к., согласно формуле, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса объекта и/или его скорость. Рассчитаем?
Кота трогать не будем, а, например, автомобиль массой 2 тонны, движущийся со скоростью 100 км/ч имеет длину волны примерно 10 в минус 38 степени метра, а пуля массой 9 г, летящая со скоростью 700 км/ч – где-то 10 в минус 34 степени метра (перепроверьте, вдруг, ошибся). Очень мало, не так ли?
Для проявления волновых свойств типа дифракции размер препятствия должен быть соизмеримым с длиной волны. Очевидно, что таких препятствий не существует. Поэтому для нас это все "корпускулы".
А вот электроны подчиняются этой теории с вполне видимым результатом. Дифракция электронов применяется в электронных микроскопах, в которых, можно увидеть увеличенную «проекцию» атомов кристаллической решетки, являющимися препятствиями, соизмеримыми с длиной волны.
А вы знали, что все мы с вами волны? 😄
STOLBOV STUDY
Все мы из старшей школы знаем, что свет – это одновременно и частица, и волна, т.к. в разных ситуациях может проявлять свойства и того и другого. Например, свет, как поток частиц, имеющих энергию и импульс, может оказывать давление на поверхность или нагревать ее (частицы ударяются, как шарики о поверхность). В то же время есть явления дифракции и интерференции, присущие только волнам.
Однако, Луи де Бройль в 20-м веке задался вопросом: а почему только свет обладает такими двойными свойствами? Может и другие частицы их проявляют? И, как показала экспериментальная практика в дальнейшем, оказался прав.
Де Бройль в своей гипотезе предположил, что все частицы материи ведут себя не только как маленькие шарики, но и как волны. Причем длину волны этих частиц он решил искать по аналогии с фотонами.
Внимание, дальше формулы, но совсем чуть-чуть.
Энергия фотона
E=hc/λ
где h–постоянная Планка, с – скорость света, λ - длина волны.
Перенес эту формулу на частицы, которые имеют, в отличие от фотона, конкретную массу и свою скорость, немного скрестил релятивистскую и классическую механику, и, перейдя от энергии к импульсу выдал формулу для длины волны частицы:
λ=h/p
где p–импульс частицы, который в классической механике, если частица движется гораздо медленнее скорости света, будет равен
p=mv.
Эта длина волны, ожидаемо, стала называться длиной волны де Бройля.
Говоря «скрестил», я опускаю некоторые детали вывода формул для упрощения рассказа.
По гипотезе де Бройля все движущееся вокруг является одновременно и отдельными объектами (корпускулами), и волнами. Так возникла теория корпускулярно-волнового дуализма не только для света, но и для всех частиц и предметов.
Это что получается, движущийся автомобиль, мой кот, бегающий по квартире, пуля, вылетевшая из пистолета и электрон в колонне электронного микроскопа, проявляют волновые свойства?
Теоретически, да. Но мы этого не увидим, т.к., согласно формуле, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса объекта и/или его скорость. Рассчитаем?
Кота трогать не будем, а, например, автомобиль массой 2 тонны, движущийся со скоростью 100 км/ч имеет длину волны примерно 10 в минус 38 степени метра, а пуля массой 9 г, летящая со скоростью 700 км/ч – где-то 10 в минус 34 степени метра (перепроверьте, вдруг, ошибся). Очень мало, не так ли?
Для проявления волновых свойств типа дифракции размер препятствия должен быть соизмеримым с длиной волны. Очевидно, что таких препятствий не существует. Поэтому для нас это все "корпускулы".
А вот электроны подчиняются этой теории с вполне видимым результатом. Дифракция электронов применяется в электронных микроскопах, в которых, можно увидеть увеличенную «проекцию» атомов кристаллической решетки, являющимися препятствиями, соизмеримыми с длиной волны.
А вы знали, что все мы с вами волны? 😄
STOLBOV STUDY
❤7🆒6
В своем посте про то, откуда берется ядерная энергия я писал, что "полезного" делящегося изотопа урана 235, на котором строится вся атомная энергетика, в природе всего 0,72% среди всех имеющихся залежей урана.
Но однажды случилась одна история, которая чуть не перевернула все представления о мире! Об этом в двух частях можно прочитать в статье коллег.⬇️
Но однажды случилась одна история, которая чуть не перевернула все представления о мире! Об этом в двух частях можно прочитать в статье коллег.⬇️
❤7
Forwarded from CatScience
Как тысячная доля процента чуть не уничтожила все представления о мире
1/2
7 июня 1972 года во время рутинного масс-спектрометрического анализа на заводе во Франции, производящем обогащенное топливо, обнаружили, что в гексафториде урана (вещество, участвующее в процессе обогащения ядерного топлива) концентрация изотопа урана-235 (изотоп - это атом с одинаковым зарядом, но разным числом нейтронов и соответственно разной массой) не 0,720%, а 0,717%. Ну подумаешь, разница всего три тысячных процента, это так мало, что можно и не обращать внимания! Но только не в ядерной промышленности. Дело в том, что процент содержания урана-235 одинаков для всех пород Земли, Луны и в метеоритах, а по представлениям ученых — и во всей Солнечной системе.
Французы решили разобраться в проблеме и создали комиссию по расследованию низкого содержания изотопа. Все таки отрасль важная, от нее зависит и все энергоснабжение страны и получение этой страной ядерного оружия, так что с любыми проблемами надо разбираться быстро. Изначальная версия комиссии была проста: кто-то из длинной цепочки в обогащении урана загрязнил его уже обедненным ураном. Ну а если эта версия не оправдается - наверняка дело в несоблюдении технологии производства. Только вот после обхода всех заводов выяснилось, что они все делают исправно. Тогда комиссия направилась туда, где добывался этот уран — карьер Окло в Габоне. Обнаружилось, что в месторождении содержание двуокиси урана не превышает 0,5%, что вполне обычно, но в некоторых линзах (вкраплениях минерала в породе в виде плоского овального диска) оно поднималось до 40%, а концентрация урана-235 опускалась до 0,44%!
На некоторое время ученые без преувеличения ахуели: никогда раньше не было так, что изотопный состав вещества зависел от места его добычи. А это уже ставило под сомнение современные теории о возникновении Солнечной системы и всех элементов тяжелее железа! Но после трех месяцев изучения месторождения комиссия пришла к выводу, что они обнаружили… природный ядерный реактор!
Стоит отметить, что в 1941 году Зельдович Я.Б. (советский физик-ядерщик, один из создателей атомной бомбы)., а позже в 1957 году Г. Вэзерилл и М. Ингрем (американские физики, одни из тех, кто установил точный возраст Земли) предполагали существование естественного ядерного реактора в далеком прошлом, около 2 миллиардов лет назад, и даже описали возможные механизмы и условия для его образования. Однако никто не согласился с учеными — все посчитали, что для образования такой сложной структуры должно совпасть слишком много факторов, так что об этих идеях быстро забыли, пока не случился 1972 год.
После обнаружения реактора добыча в карьере была прекращена, а ученые приступили к подробному изучению феномена Окло. Многочисленные образцы были отправлены в различные лаборатории мира, в том числе и в СССР, что помогло воссоздать картину работы реактора. Как выяснилось, урановое месторождение образовалось в Окло примерно 2,1 миллиарда лет назад. И тут мы внезапно переходим к биологии! В это время происходил очень важный биологический процесс: переход от прокариотов (клеток без ядра) к эукариотам (более сложным по строению клеткам с ядром). Эукариоты поглощали углекислый газ, выделяя кислород, этот кислород окислял уран, а оксиды урана смывались дождем в древнюю реку. В устье реки образовался осадочный слой песчаника, богатого ураном, и поскольку под тяжестью своего веса частички урана опускались на дно быстрее других, они создали обогащенное место с концентрацией урана 0,5% (прямо как на обогатительной фабрике). После этого урановый слой скрылся под слоем песчаника, а из-за геологических процессов он опустился на глубину 4 км. Со временем слои песчаника потрескались, и в них начала затекать вода, под воздействием ее и большого давления образовались линзы с содержанием урана в руде до 60%. Всего нашли 17 изолированных друг от друга линз, в которых спустя 300 млн. лет и протекала ядерная реакция.
1/2
7 июня 1972 года во время рутинного масс-спектрометрического анализа на заводе во Франции, производящем обогащенное топливо, обнаружили, что в гексафториде урана (вещество, участвующее в процессе обогащения ядерного топлива) концентрация изотопа урана-235 (изотоп - это атом с одинаковым зарядом, но разным числом нейтронов и соответственно разной массой) не 0,720%, а 0,717%. Ну подумаешь, разница всего три тысячных процента, это так мало, что можно и не обращать внимания! Но только не в ядерной промышленности. Дело в том, что процент содержания урана-235 одинаков для всех пород Земли, Луны и в метеоритах, а по представлениям ученых — и во всей Солнечной системе.
Французы решили разобраться в проблеме и создали комиссию по расследованию низкого содержания изотопа. Все таки отрасль важная, от нее зависит и все энергоснабжение страны и получение этой страной ядерного оружия, так что с любыми проблемами надо разбираться быстро. Изначальная версия комиссии была проста: кто-то из длинной цепочки в обогащении урана загрязнил его уже обедненным ураном. Ну а если эта версия не оправдается - наверняка дело в несоблюдении технологии производства. Только вот после обхода всех заводов выяснилось, что они все делают исправно. Тогда комиссия направилась туда, где добывался этот уран — карьер Окло в Габоне. Обнаружилось, что в месторождении содержание двуокиси урана не превышает 0,5%, что вполне обычно, но в некоторых линзах (вкраплениях минерала в породе в виде плоского овального диска) оно поднималось до 40%, а концентрация урана-235 опускалась до 0,44%!
На некоторое время ученые без преувеличения ахуели: никогда раньше не было так, что изотопный состав вещества зависел от места его добычи. А это уже ставило под сомнение современные теории о возникновении Солнечной системы и всех элементов тяжелее железа! Но после трех месяцев изучения месторождения комиссия пришла к выводу, что они обнаружили… природный ядерный реактор!
Стоит отметить, что в 1941 году Зельдович Я.Б. (советский физик-ядерщик, один из создателей атомной бомбы)., а позже в 1957 году Г. Вэзерилл и М. Ингрем (американские физики, одни из тех, кто установил точный возраст Земли) предполагали существование естественного ядерного реактора в далеком прошлом, около 2 миллиардов лет назад, и даже описали возможные механизмы и условия для его образования. Однако никто не согласился с учеными — все посчитали, что для образования такой сложной структуры должно совпасть слишком много факторов, так что об этих идеях быстро забыли, пока не случился 1972 год.
После обнаружения реактора добыча в карьере была прекращена, а ученые приступили к подробному изучению феномена Окло. Многочисленные образцы были отправлены в различные лаборатории мира, в том числе и в СССР, что помогло воссоздать картину работы реактора. Как выяснилось, урановое месторождение образовалось в Окло примерно 2,1 миллиарда лет назад. И тут мы внезапно переходим к биологии! В это время происходил очень важный биологический процесс: переход от прокариотов (клеток без ядра) к эукариотам (более сложным по строению клеткам с ядром). Эукариоты поглощали углекислый газ, выделяя кислород, этот кислород окислял уран, а оксиды урана смывались дождем в древнюю реку. В устье реки образовался осадочный слой песчаника, богатого ураном, и поскольку под тяжестью своего веса частички урана опускались на дно быстрее других, они создали обогащенное место с концентрацией урана 0,5% (прямо как на обогатительной фабрике). После этого урановый слой скрылся под слоем песчаника, а из-за геологических процессов он опустился на глубину 4 км. Со временем слои песчаника потрескались, и в них начала затекать вода, под воздействием ее и большого давления образовались линзы с содержанием урана в руде до 60%. Всего нашли 17 изолированных друг от друга линз, в которых спустя 300 млн. лет и протекала ядерная реакция.
❤13🤯2👍1
Я тут вчера с удивлением обнаружил, что у меня статья вышла, и я ничего для этого не делал).
Более того, я уже более 3-х лет как ушел из своего университета после защиты диссертации, и после ухода у меня продолжают выходить статьи по моей работе там. Этакий "пассивный доход".😁
На самом деле 5 лет назад мы написали огромную статью, которую из-за большого количества материала пришлось разделить на две. Когда отправили в российский переводной журнал, редакторы перевели только одну из них, а вторую не стали.
И вот недавно мне звонит моя бывшая руководительница и говорит, что они вспомнили про нашу давнюю статью и решили сейчас ее перевести. То что сейчас вышло - это переводная версия старой статьи и, по факту, не считается за новую, но в иностранных индексах цитирования количество прибавилось.
Вот так плодотворно я поработал над диссертацией, до сих пор отголоски доходят.
Более того, я уже более 3-х лет как ушел из своего университета после защиты диссертации, и после ухода у меня продолжают выходить статьи по моей работе там. Этакий "пассивный доход".
На самом деле 5 лет назад мы написали огромную статью, которую из-за большого количества материала пришлось разделить на две. Когда отправили в российский переводной журнал, редакторы перевели только одну из них, а вторую не стали.
И вот недавно мне звонит моя бывшая руководительница и говорит, что они вспомнили про нашу давнюю статью и решили сейчас ее перевести. То что сейчас вышло - это переводная версия старой статьи и, по факту, не считается за новую, но в иностранных индексах цитирования количество прибавилось.
Вот так плодотворно я поработал над диссертацией, до сих пор отголоски доходят.
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
🍾14❤5🆒5👍1
Видишь озеро? И я вижу! А его нет!
Почему возникает мираж?
В далеком 2019 году я выкладывал коротенький пост на эту тему в тогда еще не запрещенной сети. Сегодня я его переработал и выкладываю улучшенную версию.
В основе этого явления лежит принцип Ферма, согласно которому свет распространяется по такой траектории, на которую он затратит
наименьшее время.
Допустим, вам нужно проехать в соседнюю деревню, и у вас есть два варианта: сделать это напрямую через поле, по которому вы будете ехать очень медленно, или в объезд по дороге, где ваша скорость будет в 10 раз быстрее, но путь на несколько километров длиннее. Что вы выберете?
Свет на вашем месте выбрал бы второй вариант. Ему легче распространяться в среде с меньшей плотностью.
В пустыне или на дороге в жаркий день земля сильно разогревает воздух и возникает большая разница температур между воздухом вблизи ее поверхности и на некоторой высоте. А мы знаем, что горячий воздух имеет меньшую плотность, чем холодный (он же расширяется при нагревании). Поэтому свету в таких условиях проще всего двигаться вдоль поверхности земли.
Почему же многие видят то, чего нет, и, в основном, водоем?
1️⃣ Мы можем видеть кусочек неба. Лучу света, чтобы показать нам небо, невыгодно двигаться напрямую, проходя длинный путь по высоким слоям атмосферы с большой плотностью. Он там распространяется медленно и тратит много времени на это. Ему проще быстрее миновать эти слои по кратчайшему пути (вертикально вниз), а, дойдя до приповерхностных горячих и менее плотных слоев, он с большой скоростью параллельно земле достигнет своей цели. Поэтому кусочек неба мы видим, вдалеке на земле, и думаем, что это вода.
2️⃣ Мы можем видеть водоем, который находится намного дальше, чем кажется, за линией горизонта. В этом случае свет, согласно принципу Ферма, уже где-то вдалеке достиг земли с менее плотным и горячим воздухом за минимальное время, отразился от водоема и распространяется на большие расстояния с его изображением вдоль поверхности земли, пока не достигнет своей цели.
На картинке попытался схематично изобразить принцип Ферма и как получается изображение миража.
Мне чаще всего видятся миражи, когда я летом еду на машине по дороге. Кажется, как будто вдалеке огромная лужа, которая, сколько бы ты не проехал, находится все также далеко.
А вы видели?
Почему возникает мираж?
В далеком 2019 году я выкладывал коротенький пост на эту тему в тогда еще не запрещенной сети. Сегодня я его переработал и выкладываю улучшенную версию.
В основе этого явления лежит принцип Ферма, согласно которому свет распространяется по такой траектории, на которую он затратит
наименьшее время.
Допустим, вам нужно проехать в соседнюю деревню, и у вас есть два варианта: сделать это напрямую через поле, по которому вы будете ехать очень медленно, или в объезд по дороге, где ваша скорость будет в 10 раз быстрее, но путь на несколько километров длиннее. Что вы выберете?
Свет на вашем месте выбрал бы второй вариант. Ему легче распространяться в среде с меньшей плотностью.
В пустыне или на дороге в жаркий день земля сильно разогревает воздух и возникает большая разница температур между воздухом вблизи ее поверхности и на некоторой высоте. А мы знаем, что горячий воздух имеет меньшую плотность, чем холодный (он же расширяется при нагревании). Поэтому свету в таких условиях проще всего двигаться вдоль поверхности земли.
Почему же многие видят то, чего нет, и, в основном, водоем?
На картинке попытался схематично изобразить принцип Ферма и как получается изображение миража.
Мне чаще всего видятся миражи, когда я летом еду на машине по дороге. Кажется, как будто вдалеке огромная лужа, которая, сколько бы ты не проехал, находится все также далеко.
А вы видели?
Please open Telegram to view this post
VIEW IN TELEGRAM
👍11❤8🆒2
Друзья, я тут интересный и оригинальный научный канал нашел, с нестандартными и занимательными темами ⬇️
Человек наук – это канал о красоте окружающего мира глазами учёного. Ведёт его учёный - биоинформатик. Здесь вы узнаете:
🗺 Почему последней мечтой знаменитого физика Ричарда Фейнмана было отправиться в Туву любой ценой
🍣 Математика программ лояльности: как надолго привязать голодных студентов к доставке роллов, чтобы они ещё и остались довольны
👾 Смешные и страшные истории из мира науки, а также шокирующая обыденность жизни учёных
📊 Как стоит и не стоит визуализировать данные и как манипулируют статистикой СМИ.
✉️ А также авторское исследование о том, как лучше писать письма для стажировок или PhD
Подписывайтесь!
Человек наук – это канал о красоте окружающего мира глазами учёного. Ведёт его учёный - биоинформатик. Здесь вы узнаете:
🗺 Почему последней мечтой знаменитого физика Ричарда Фейнмана было отправиться в Туву любой ценой
🍣 Математика программ лояльности: как надолго привязать голодных студентов к доставке роллов, чтобы они ещё и остались довольны
👾 Смешные и страшные истории из мира науки, а также шокирующая обыденность жизни учёных
📊 Как стоит и не стоит визуализировать данные и как манипулируют статистикой СМИ.
✉️ А также авторское исследование о том, как лучше писать письма для стажировок или PhD
Подписывайтесь!
Telegram
человек наук
Красота окружающего мира глазами учёного. По всем вопросам пишите @science_boy
❤6😁2