Корпускулярно - волновой дуализм нанообъектов. Волны де-бройля

Свет обладает, как известно, волновыми и корпускулярными свойствами: в явлениях интерференции, дифракции он ведет себя как волны с частотой ν и длиной λ; в фотоэлектрических явлениях, эффекте Комптона он ведет себя как частица (корпускула), имеющая энергию έ=hν и импульс p= h/λ, где h- постоянная Планка. Эти частицы получили название фотонов. Итак, свет представляет собой одновременно и частицу, и волну. Имеет двойственную природу.

В 1924 году французский ученый Шарль де Бройль распространил принцип квантово-волнового дуализма на все микрообъекты природы. Согласно де Бройлю, каждой частице следует поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом этой частицы. По де - Бройлевской гипотезе о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, не только фотоны, но и все частицы вообще (электроны, протоны и т.д.) наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами. Последние, в свою очередь, должны проявляться в явлениях дифракции и интерференции частиц. Когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его волновые свойства, а при более пристальном рассмотрении – корпускулярные. При изучении же частиц наблюдается обратная картина. В соответствии с известным соотношением Эйнштейна, фотону с энергией Е=hν, соответствует энергия mc²= hν, откуда следует, что

m= hν / c² (13-3)

Здесь с - скорость света; m - масса фотона; ν- его частота. Отсюда, учитывая, что импульс фотона p=mc, а частота света связана с длиной волны соотношением с=λν получим:

р=mс= hν,/ c =h/λ (13-4)

λ=h/р=h/mv, (13-5)

Данное уравнение является замечательной иллюстрацией двойственной природы света, поскольку объединяет длину волны света, связанную с его волновой природой, и импульс фотона p, характеризующий его как частицу. Заслуга де Бройля состоит в том, что он распространил данную формулу на все частицы материи, придав ей универсальное значение. Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экспериментально. В частности, в опыте американских физиков К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году обнаружена дифракция элементарных частиц – электронов (рис.176). Для этого они использовали всем хорошо известную электронно-лучевую трубку, применяющуюся в телевизорах, дисплеях и осциллографах. В этих трубках (или электронных пушках) электронные пучки, генерируемые катодом и управляемые электромагнитным полем, направляются в сторону экрана, покрытого люминофором. При попадании частицы в экран на нем возникает светящееся пятнышко. Так вот, на пути от источника к экрану электроны ведут себя как классические частицы, и их движение можно рассчитать средствами классической физики. Однако если на пути летящих в трубке электронов поставить экран со щелью, то после прохождения их через эту щель на экране наблюдается чередование темных и светлых полос, аналогичное дифракционной картине световых волн. Значит, электроны способны к дифракции, то есть ведут себя подобно волнам! Позднее советский ученый Тартаковский доказал, что волновые свойства присущи не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности. А в 1999 году обнаружена интерференция фуллеренов и биомолекул. В таблице приведены и другие эксперименты, свидетельствующие как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона:

Человеку, привыкшему к законам макромира, бывает трудно представить волновую природу электрона или другой частицы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображаемого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее, это представление годится только для первоначального знакомства с понятием межатомных взаимодействий, но не подходит для дальнейшего изучения квантовой механики. Поэтому к атому нужно подходить скорее как к странному музыкальному инструменту – аналогу звукового резонатора, – в котором вместо звуковых волн мы имеем волны электронные.

Таблица.

Эксперименты, свидетельствующие о волновых и корпускулярных свойствах электрона

Дата добавления: 2015-05-06