Проявление волновых свойств объектов микромира

Проблемы классической теории при описании атомов и молекул

Теория Бора, Зоммерфельда и их последователей далеко продвинула вперед наши знания об атоме, в частности о закономерностях спектральных линий. С другой стороны, чисто формальные правила квантования, составляющие основу этой теории совершенно не понятны с физической точки зрения. Некоторые проблемы теории Бора до сих пор остаются без объяснения. Так, например, неизвестна пространственная структура электростатических полей между ядром и электроном. Из его теории не следует полная экранировка поля протона, так как он решал классическую задачу Кеплера, хотя отсутствие поля протона для атома водорода наблюдается экспериментально. Она не дает ответ, что является источником электромагнитных волн, каким образом атом, имеющий размеры порядка нескольких ангстремов излучает и поглощает электромагнитные волны с длиной волны, на 3-8 порядков превосходящих сам размер атома. Хотя из классической электродинамики следует, что эффективность такого излучателя – антенны, близка к нулю. Кроме того, эта теория имеет дело с величинами, полностью ускользающими от наблюдения. Так, теория говорит об орбите электрона и скорости его движения вокруг ядра, вовсе не принимая во внимание то, что мы вообще не можем определить положение электрона в атоме, не разрушив при этом весь атом.

Учитывая вышеприведенные противоречия, против модели Бора и Зоммерфельда резко выступали П. Эренфест, О. Штерн и другие. Сам родоначальник квантовой механики Макс Планк считал основной проблемой модели Бора несовпадение частоты вращения электрона вокруг ядра частоте испускания и поглощения света.

При построении логически непротиворечивой схемы атомной механики в теорию нельзя вводить никаких величин, кроме физически наблюдаемых – нельзя, скажем, ввести орбиту электрона, но следует отправляться лишь от наблюдаемых частот и интенсивностей линий, излучаемых атомами. Исходя из этого принципа, Гейзенберг заложил основы теории, развитой в дальнейшем им самим, Борном и Йорданом (1925 г.) – так называемой матричной механики, призванной заменить атомную механику Бора. Гейзенберг расположил наблюдаемые излучаемые частоты в виде матриц и начал работать с ними по известным правилам теории матриц. Он построил матрицы координат, матрицы импульсов и т.д. Затем начал действовать с ними практически точно так же, как мы привыкли действовать с координатами и импульсами в классической механике, учитывая перестановочные соотношения Борна и Йордана. К сожалению, матричная механика не смогла раскрыть физическую структуру ни электрона, ни самого атома.

Развитие представлений о корпускулярно-волновых свойствах материи получило в гипотезе о волновом характере движения микрочастиц. Луи де Бройль из идеи симметрии в природе для частиц вещества и света приписал любой микрочастице некий внутренний периодический процесс (1924). Объединив формулы E = hν и E = mc², он получил соотношение, показывающее, что любой частице соответствует своя длина волны: λ_Б= h/mv = h/p, где p- импульс волны-частицы.
В дальнейшем было показано, что состояние микрочастицы в квантовой механике может быть описано определенной комплексной волновой функцией координат Ψ(q), причем квадрат модуля этой функции |Ψ|²определяет распределение вероятностей значений координат. Таким образом, волна де Бройля не несет энергию, а только отображает “распределение фаз” некоего вероятностного периодического процесса в пространстве. Следовательно, описание состояния объектов микромира носит вероятностный характер, в отличие от объектов макромира, которые описываются законами классической механики.

Для доказательства идеи де Бройля о волновой природе микрочастиц немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов (1925). В США К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили явление дифракции при прохождении пучка электронов через пластинку из кристалла никеля (1927). Независимо от них дифракцию электронов при прохождении через металлическую фольгу открыли Дж. П. Томсон в Англии и П.С. Тартаковский в СССР. Так идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков. Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

Открытие волновых свойств у микрочастиц показало, что такие формы материи, как поле (непрерывное) и вещество (дискретное), которые с точки зрения классической физики, считались качественно отличающимися, в определенных условиях могут проявлять свойства, присущие и той и другой форме. Это говорит о единстве этих форм материи. Полное описание их свойств возможно только на основе противоположных, но дополняющих друг - друга представлений.

Дата добавления: 2015-06-04