Корпускулярно-волновая теория и волны де Бройля

В 20-х годах ХХ в. появилась невероятная теория, которая вывела квантовую физику на новый уровень. Авторство теории принадлежит французскому ученому Луи де Бройлю (1892—1987), а суть ее состоит в том, что фотоны (порции-кванты, которыми испускается электромагнитное излучение) и все остальные элементарные единицы материи вроде электронов, протонов и пр. — то есть вполне осязаемые, весомые объекты — это одновременно и частицы, и волны.

Как частицы, все они несут в себе энергию и движутся, а значит, им сообщается импульс — количество движения, толчок, необходимый для того, чтобы заставить тело определенной массы сойти с места. Как волны, элементарные единицы характеризуются частотой и длиной, причем обе группы свойств связаны между собой постоянной Планка — квантом движения. Так, энергию можно определить, умножив частоту волны на квант движения; а импульс — по произведению длины волны и той же постоянной Планка. То есть Бройль считал, что свет — это не просто электромагнитные волны, а текущие волнами частицы; электричество — не простой поток электронов, а волновой. Для каждой точки, в которой электрон может оказаться в тот или иной момент времени, существует волновой график возможных значений, и пик амплитуды приходится на те координаты пространства, куда частица попадет с наибольшей вероятностью. Данная концепция получила название корпускулярно-волнового дуализма.

Хоть у Бройля и не получилось экспериментально доказать свои умозаключения, он все равно перевернул сознание коллег и побудил их взглянуть на материю под другим углом. В итоге в 1925 г. немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901—1976) заложил основы новой науки — квантовой механики, выстроив в математических таблицах (матрицах) временные изменения поведения каждой частицы. Под поведением подразумевались скачки квантовой системы (молекулы, атома, электрона…) с одного энергетического уровня на другой (с высшего на низший или наоборот), с выделением либо поглощением энергии. Преимущество таких матриц было в одном: их данные совпадали с результатами экспериментов, — однако в них не учитывалось ни местоположение частиц, ни траектория, ни скорость. Гейзенберг считал, что вводить эти параметры не имеет смысла, поскольку измерить их опытным путем в мире элементарных частиц невозможно.

Читать:  Эхолокация и ультразвук

Другим ученым, который поддержал идею Бройля, стал австриец Эрвин Шрёдингер (1887—1961). На научной конференции в Цюрихе в 1926 г. он осмелился заявить, будто поведение элементарных частиц скорее напоминает распространение волн, нежели движение твердых тел. На это один из участников конференции — очень уважаемый профессор — возмущенно воскликнул: «Шрёдингер, ну что за ерунда?! Всем же известно, что волны описываются волновыми уравнениями…» Приняв данную реплику за вызов, ученый поставил себе задачу написать уравнение для вероятностной волны — и легко сделал это с помощью классической формулы обычной волновой функции, подставив туда возможные координаты, массу, потенциальную и постоянную энергию частицы, ну и конечно, планковский квант движения. Впоследствии матрица Гейзенберга и уравнение Шрёдингера стали инструментами, позволяющими описывать все квантовые явления.

Уже через год американские физики Клинтон Дэвиссон (1881—1958) и Лестер Джермер (1896—1971) поставили опыт, подтвердивший теорию Бройля. Ученые направили на кристалл никеля электронный поток, и тот, пройдя сквозь кристаллическую решетку, отобразился на экране черно-белыми концентрическими кругами с ярким пятном посередине. То есть показал такую же дифракционную картину, какую дают коротковолновые электромагнитные икс-лучи, проходя сквозь кристалл, да и просто обычный пучок света, прошедший через дифракционную решетку — пластину с узкими продольными щелями. Измерив радиусы самых ярких и широких кругов, исследователи смогли определить длину волны электронов — и убедились, что тот же результат получается в уравнении Бройля.

Читать:  Попытки объяснить природу

Через год аналогичный опыт поставил сын британского физика Джозефа Томсона, открывшего электрон, — Джордж Паджет Томсон (1892—1975). Правда, вместо никеля он использовал тонкую фольгу, состоящую из крошечных кристалликов золота, однако результат получил тот самый, какого добились его американские коллеги.

Впоследствии данный эксперимент проводили разные ученые, немного меняя условия — например, выпуская электроны под очень слабым напряжением. В таком вялом потоке частицы проходили сквозь решетку по одной, но все равно образовывали дифракционные круги. Так, при стовольтном напряжении, вполне нормальном для наших домашних электросетей, электроны двигались абсолютно неэнергично — в покое их энергия была бы в 5000 раз выше! — а их волны достигали диаметра атома. Но и такие электроны умудрялись рассеиваться на решетке кристалла, словно полноценные электромагнитные волны, а затем реагировали с отдельными атомами светочувствительной пластины и точечно затемняли ее, как делают все частицы.

Кроме того, эксперименты с рассеянием электронов показали, что у элементарных частиц волновая и корпускулярная модели поведения никогда не «включаются» в одно и то же время — только поочередно, словно дополняя одна другую. Это определил датский физик Нильс Бор (1885—1962), уточнив, что перемещаться в пространстве частицы склонны волнами, а когда дело доходит до передачи/приема энергии, то они сразу же переключаются на режим частиц. Самые выразительные дифракционные круги создаются наиболее мощными волнами, а значит, именно в эти места экрана врезается больше всего электронов. Но вот куда именно попадет частица после прохождения сквозь решетку, точно сказать не получится. Можно только предположить — выстроить ряд более или менее вероятных координат. Отсутствие определенности — это главный принцип квантовой механики.

Читать:  Искусственная радиоактивность

Если провести умозрительный эксперимент, в процессе которого поток электронов пропускается через две щели решетки, мы не сможем уверенно указать отверстие, в которое входит та или другая частица. Разумеется, растянутые в пространстве волны могут проникнуть сразу через обе щели, но разве способна на такое маленькая частичка (шарик — в нашем представлении)? Оказывается, способна! Так же как фотон — частица-порция светового излучения. Хотя мы видим, что электромагнитная волна проходит в оба отверстия, определить путь каждого ее фотона нереально. Между тем даже единичный квант света, пройдя через пластину с отверстиями, покажет на экране полосы интерференции. Получается, фотон, подобно волне, накладывается сам на себя и усиливает собственную амплитуду. Аналогично проскальзывает в обе щели и электрон, как бы ни было сложно это представить, — и на экране появляются полосы.

Позже в экспериментах участвовали пучки атомов и молекул, протоны, нейтроны и прочие частицы — и каждый раз ученые видели на экране дифракционные круги, что подтверждало: все «подопытные» наполовину волны. Теория Бройля о двойственной природе микрообъектов была доказана, и это перевернуло привычную картину мира с ног на голову.

Оставить эмоцию
Нравится Тронуло Ха-Ха Ого Печаль Злюсь
Поддержите проект Мир Знаний, подпишитесь на наш канал в Яндекс Дзен

1
Оставить комментарий

avatar
1 Цепочка комментария
0 Ответы по цепочке
0 Последователи
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
1 Авторы комментариев
виктор Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
новее старее большинство голосов
Уведомление о
виктор
Гость
виктор

10/7 = t log π (kπ).