ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Корпускулярно-волновой дуализм

Гипотеза де-Бройля

После представления экспериментов и их теоретических объяснений, приведших к возрождению корпускулярной теории света, изложенной в подразделе 7.6, стал логически очевидным следующий шаг, приписывающий волновые свойства тем микрообъектам, которые известны нам как микрочастицы. Этот шаг был сделан в 1924 г. французским физиком-теоретиком Луи де-Бройлем. Его идея заключалась в следующем. Если кванты электромагнитного излучения — фотоны обладают корпускулярными свойствами, т.е. обладают инертной массой (/Иф = е/с2), импульсом (p = hk) и энергией (е = Йоз), то должно быть справедливым и обратное: движение частиц должно сопровождаться волновым процессом. Де-Бройль предложил для длины волны X этого процесса выражение

где И — постоянная Планка; т — масса частицы; v — скорость ее движения (то — ее импульс).

За этими волнами установилось название волны де-Бройля.

Никто сначала не мог представить себе, что кроется за этой идеей. Здесь мы впервые сталкиваемся со случаем, довольно общим для всей квантовой физики вообще, когда наших привычных представлений недостаточно для того, чтобы «вообразить» основные положения этой науки. Этому есть объяснение.

Действительно, представим себе пулю массой примерно 10 г, летящую со скоростью 1000 м/с. Согласно формуле (8.1) сопровождающий ее волновой процесс (волна де-Бройля) имеет ничтожно малую длину волны X ~ ~ 10-34/(Ю-2 1 03) = 10-35 м.

Чтобы процесс распространения (движение частицы) в пространстве проявил себя как волна, необходима дифракционная решетка с периодом того же порядка, что и соответствующая длина волны де- Бройля. Ясно, что изготовить или подобрать такую решетку для макрообъектов невозможно. Обобщая, можно утверждать, что в привычном нам макромире не существует возможности поставить эксперимент, в котором волны де-Бройля проявили бы себя как реальность.

Совсем иная ситуация складывается в микромире, где за счет малой массы частиц и их большой скорости длина волны оказывается соизмеримой с межатомными расстояниями в веществе, и постановка дифракционного эксперимента как это делается, например с рентгеновскими лучами, (см. подраздел 7.3.5) возможна. Действительно, соответственно формуле (8.1) и закону сохранения энергии для движущегося электрона (если его масса т, скорость и), прошедшего ускоряющую разность потенциалов U, получается

при U, заданной в вольтах. Оказывается, необходима разность потенциалов всего в 150 В, чтобы длина волны де-Бройля для движущегося электрона составила 0,1 нм.

Естественен вопрос: что же представляют собой фотоны, с одной стороны, и микрочастицы (электроны, нейтроны, протоны) — с другой? Современное состояние науки позволяет сформулировать следующее положение: все микрообъекты обладают одновременно комплексом свойств, среди которых на равных правах сосуществуют и волновые, и корпускулярные свойства; микрообъекты проявляют те или иные из них в зависимости от того, в какие условия «ставит» их эксперимент. Приведенное положение составляет суть корпускулярно-волнового дуализма — основы современной квантовой физики.

 
Посмотреть оригинал