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不懂量子力学?那你可以试试在家里做这五个实验!

作者: admin 来源:未知 发布时间:2018-08-27

关键词: 什么工作可以在家里做, ┊阅读:次┊

  宇宙是由许多不可分割的微小粒子构成的,这些粒子具有量子特性。然而,这些粒子只能在某些特定的情况下表现出它的粒子性,而在某些特性的情况下表现出它的波动性。这样诡异的说法有点违反直觉,甚至是荒唐的。要让物理学家相信这样的性质是粒子的固有属性,得用实验来验证说明。你能在家里验证这两种性质中的一种吗?

  有一些很简单的方法可以让你感受到粒子的粒子性和波动性,下面的这些实验,你可以在家里自己动手完成。

  把一束激光打到CD或者DVD上,通过得到的衍射图案可以测量光存储介质中凹槽之间的间距。

  家里有激光笔吗?有CD,DVD或者蓝光光盘吗?将激光笔打开,以一个较陡峭的角度照射在光盘上,你看到了什么呢?不要看光盘(注意不要让激光打在眼睛上),而是看看反射的斑点,你只看到了一个光斑吗?不是的,你应该看到了一堆光斑,起码有3个吧,这取决于你的激光笔光斑直径的大小。

  之所以会出现这种现象,是因为光存储介质中存在着微小的凹槽,光斑之间的距离和凹槽之间的间距成反比。光斑之间的距离越小,凹槽之间的距离越大,这就意味着这张光盘可以存储的数据越少。如果你有一张CD和一张DVD,不妨检查下两张光盘产生的光点之间的距离。这种方法可以验证光的波动性。

  当激光打到头发上,产生衍射图案,这不仅可以说明光具有波动性,还能测量你头发的直径。

  有没有一根“闲置”的头发呢?将头发粘住,让其悬在空中,将整个实验装置放在一面空白的墙前面。打开激光笔,让激光打在头发上,看看墙上出现了什么。

  看到了明暗相间的条纹?这是由于光的波动性,类似于传统的双缝干涉实验(光从头发的两边经过,而不是双缝)。衍射图案是由光子和其自身干涉所产生的,连续的明亮条纹之间的间距实际上与你的头发厚度有关,更紧密间隔的衍射图案意味着发丝更粗。(头发直径在20微米到160微米左右。)

  当用偏振滤光镜拍摄时,只有一部分光线(特定方向偏振的光线)投射,这就使得我们可以看到后窗玻璃的缺陷。

  想要演示光是如何极化的,并且具有电磁特性?还是想进一步了解量子加密是如何工作的?

  在黑暗的房间里拿出一把手电筒,将手电筒打开,照亮墙壁。准备好三个偏振片(简单快捷的方法就是从偏光太阳镜中取出镜片),将其中一个放在光束后面,第二个放在第一个后面,当你旋转第二个镜片,你会发现光线变得昏暗,当镜片转到某个角度,你会发现光消失了。这时候就是两个偏振片彼此呈90的时候,通过第一个偏振片的电场被第二片偏振片完全阻挡了。

  线偏振器将非偏振光变成一束单一的线偏振光,所有波的垂直分量透射,而水平分量被吸收和反射。

  但是如果你在两个偏振片之间又插入一个偏振片,并旋转它,你会发现光线将会穿过三个偏振片!中间的偏振片将允许一部分光(电场与偏振片对齐的那部分)通过,然后这束光也会部分通过最后一个偏振片。

  这是可以很好的演示光的电磁特性的一个实验。如果想要演示量子加密,那么只要移除中间的那个偏振片,并控制第二个偏振片的旋转角度。如果两个偏振片平行/垂直,或者对角排列,那么你就会得到不同的通信方案,原则上,你只需要一个光子就可以传输信息。这个实验也可以完美的模拟量子加密。

  只要你随机产生一些信息,然后让其与两个偏振片的状态相对应(平行/垂直,或者对角),这时候只有你的接收方可以解码你的信号,那些没有密钥的信号劫持者只有破译了加密方式才能获得信息。量子世界比我们想象中的怪异,但是光的粒子性和波动性我们可以在家里就能看到。

  对于有放射性粒子的额外“奖励”,添加一个烟雾探测器到你的云室里,并观察它发出的缓慢移动的粒子,有些粒子会反弹到底部。

  你是否想用自己的眼睛看到粒子,以及它们在空中的运动轨迹?那么,花不到100美元,你就能在家里看到宇宙射线以及放射源。你所要做的就是搭建一个云室。

  你可能无法亲眼看到一些亚原子粒子,因为我们肉眼能感知到的波长的光几乎不受它们影响。但是,如果用酒精(纯度高的乙醇,低于90%都不行)制造出一种蒸汽,这使得你可以亲眼看到一个带电粒子的运动轨迹!

  2) 切好三个尺寸相同的绝缘泡沫,将其中两个挖出长方形的孔,使得鱼缸可以放入,第三个可以作为“基底”。

  3) 切一块与绝缘泡沫相同尺寸的镀锌钢板。粘上黑色卡片或磨砂黑色毛毡,或喷涂哑光黑色油漆,表面尺寸的大小与鱼缸大小相当。

  4) 将金属板放置于绝缘泡沫上,在鱼缸上添加一个双面的粘土层。将水或者酒精溶液倒入凹槽中,这样的话,你将鱼缸放在凹槽上的时候,空气就不能随意进出了。在鱼缸的底部加入一层毡层或海绵状的材料,一定要弄好,因为我们要将鱼缸倒过来用。一旦完成了上述工作,你就能将这些东西放在一起了。

  5) 将一些干冰置于绝缘泡沫的前两层(实心底座和空心矩形)中,然后将金属板(黑色那面朝上)放在顶层上,然后放置最后一层绝缘泡沫。将水/酒精放入粘土槽中,同时用酒精溶液浸泡/浸透鱼缸中的毡/海绵层。

  (专业提示:使用更多的酒精使毛毡/海绵层饱和,这样效果会更好,千万不要吝啬哦!)将鱼缸翻转过来,把边缘放在金属槽内,这样你就可以把酒精蒸气密封在里面。

  6) 关掉所有的灯,把它放在黑暗的房间里,用一束光照射鱼缸,把一个温暖、较重的物体(如折叠的毛巾,从烘干机里取出来)放在水箱上面,然后等10分钟。

  7) 忙活了这么久,你能获得什么回报呢?你会看到过饱和蒸汽跑出来,朝着鱼缸底部运动,你可以看到类似于“轨迹”的图像,当然,这取决于你的鱼缸大小。把烟雾探测器放在里面,你将会看到更多。好好享受属于你个人的亚原子旅程吧。

  光电效应详细的说明了电子的激发取决于光的波长,而不是光强或者光的其他性质。

  你们应该都知道爱因斯坦吧?尽管他以相对论和E =mc而闻名于世,但他因为量子研究而获得了诺贝尔奖,也就是光电效应。现在你可以在家里自己动手做这个实验。

  用砂纸打磨一个铝罐子的外表面,将金属箔粘在这个罐子上面,金属箔和罐子接触越紧密越好,你也可以用铜丝把这两个东西捆在一起。把罐子和金属箔放在隔热材料的表面上,如聚苯乙烯泡沫塑料杯子,然后把充气的气球在你的衬衫上来回磨蹭,目的是为了让气球带电。

  将带电的气球触碰金属箔,这时候金属箔和铝罐子将带负电,与铝罐子相互排斥,金属箔飘了起来。

  如果你让质量较小、导电的材料和另一个类似的材料带上同种电性的电荷,那么他们将会相互排斥。人的头发和金属箔都是很好的例子。

  现在,将短波紫外光发生器(需要有UV-C光)的开关打开并指向铝罐子,此时电子被“踢开”了,你会看到金属箔落下了。如果使用可见光,红外光,甚至是UV-A或UV-B光,则电子将继续束缚在罐子上。这是光电效应的一个例子,证明了它取决于光的波长,而不是光的强度。

  宇宙中的很多现象是远超乎我们人类的想象的,尽管如此,许多违反直觉的现象,即可以揭示宇宙的量子性质的现象,却可以在家中看到。只需要一些设备,需要实验者的耐心和努力,我们就能在家里看到这些令人难以置信的现象。忙活了这么多,我们也收获颇多,这些现象可是一个多世纪以前,很多才华横溢的物理学家也没有察觉到啊。

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