Лекция 11 Элементы квантовой механики

1. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля.

Неспособность теории Бора объяснить спектр атома гелия сделала необходимым пересмотр основ классической механики и представлений о природе элементарных частиц.

Мы уже знаем, что свет обладает двойственной природой. В 1923 году французский ученый Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что двойственность природы является не только особенностью света, она универсальна. Частицы вещества на ряду с корпускулярными свойствами обладают волновыми. Движущейся частице сопоставляется волна. Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля:

,

где - масса частицы, движущейся со скоростью.

Идея о корпускулярно-волновой природе вещества является основополагающей в квантовой механике.

Волновые явления не проявляются для макроскопических тел. Как видно из формулы, чем больше импульс тела, тем меньше длина волны и тем труднее ее обнаружить. Для электронов, протонов и нейтронов длина волны имеет порядок м.для пылинки, летящей со скоростьюи массойг, длина волны составляетм. экспериментально такую волну не обнаружить. Частицы, волновые свойства которых можно обнаружить экспериментально, называют микрочастицами.

Опытное подтверждение корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц

В 1927 году гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. Американские физики Дэвиссон и Джормер обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки – кристалла никеля – дает отчетливую дифракционную картину. Дифракционные максимумы соответствовали формуле Вульфа-Брэгга:

,

где - межплоскостное расстояние в кристалле,- порядок дифракционного максимума,- угол падения.

Длина волны, найденная по этой формуле, оказалась в точности равной длине волны де Бройля для электрона . В дальнейшем формула де Бройля была подтверждена опытами Тартаковского и Томсона, наблюдавших дифракционную картину при прохождении пучка быстрых электронов (50 кэВ) через металлическую фольгу (толщиной 1 мкм).

В 1949 году советскими физиками Биберманом, Сушкиным и Фабрикантом был поставлен опыт, который показал, что волновые свойства присуще не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности. В этом опыте электроны направлялись на фольгу друг за другом. Промежуток времени между двумя попаданиями в 30000 раз больше времени прохождения через фольгу. Возникшая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов, в десятки миллионов раз более интенсивных. Следовательно, волновые свойства частиц не являются свойством их коллектива, а присущи каждой частице в отдельности.

В 1929 году немецкие физики Штерн и Эстерман показали, что дифракционные явления обнаруживаются у протонов, нейтронов, атомов гелия и водорода. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля.