Глава XVIII создание квантовой механики

В

Корпускулярно – волновой дуализм электромагнитного излучения

ыдвинутая Эйнштейном в 1905 году гипотеза световых квантов поначалу встретила многочисленные возражения. Казалось, что она возвращает физику к световым корпускулам Ньютона и к отказу от достижений волновой теории. Однако время показало ее плодотворность: она легко и изящно объясняла законы фотоэффекта, явление флюоресценции и т.д. В то же время ряд опытов по интерференции и дифракции не мог быть объяснен на основе гипотезы световых квантов, в том числе классический опыт Юнга с двумя отверстиями.

В 1917 году Эйнштейн сделал дальнейший шаг в сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что квантам излучения с частотой  можно приписать не только энергию E = h, но и массу m = h/c² и импульс p = h/c = h/. При этом массу покоя фотона m₀ следовало считать равной нулю, ибо в противном случае, учитывая, что фотон в любой инерциальной системе отсчета движется со скоростью c, пришлось бы признать, что его динамическая масса бесконечно велика.

В 1922 году Артур Комптон, изучая рассеяние рентгеновских лучей графитом, содержащим слабо связанные электроны, обнаружил, что в рассеянном излучении наряду с первичной линией с длиной волны  появляется смещенная линия с длиной волны  > . Величина смещения  =    возрастала при увеличении угла рассеяния . Более того, при увеличении  интенсивность несмещенной линии падала, а интенсивность смещенной – возрастала (рис. 44). Для определения длины волны рассеянного излучения  Комптон использовал брэгговское отражение от поверхности кристалла кальцита.

Сам Комптон в статье, опубликованной в 1923 году, писал: «Такое изменение длины волны непосредственно противоречит томсоновской теории рассеяния, поскольку она требует, чтобы рассеивающие электроны, излучающие вследствие вынужденных колебаний, обусловленных первичными рентгеновскими лучами, давали излучение, частота которого в точности равна частоте падающего на них излучения». И далее: «… представляется невероятным, чтобы можно было дать удовлетворительное объяснение рассеяния рентгеновских лучей на основе классической электродинамики».

Вместо этого Комптон предложил применить к описанию рассеяния представление о квантах, которое оказалось столь эффективным при анализе фотоэффекта (аналогичную теорию эффекта независимо от Комптона в том же 1923 году построил Дебай). Полагая, что электрон до соударения с квантом покоится, Комптон применил к рассеянию законы сохранения энергии и импульса:

;

.

З

Рис. 44. Спектры рентгеновского излучения (линия K_ молибдена), рассеянного в опытах Комптона на различные углы: A - первичный спектр; B -  = 45; C -  = 90; D -  = 135. По оси абсцисс отложены углы скольжения по отношению к кальциту

десь  и  – частоты первичного и рассеянного рентгеновского излучения,  и  – единичные векторы в направлениях падения и рассеяния кванта. Разрешая эту систему уравнений, Комптон получил формулу для изменения длины волны рассеянного излучения:

,

где 0,00242 нм – универсальная константа (так называемая комптоновская длина волны электрона). Полученная формула хорошо согласовалась с результатами экспериментов Комптона. Это простое и наглядное объяснение эффекта значительно укрепило представление о кванте света как частице. Комптоном же был предложен термин «фотон», ставший впоследствии общеупотребительным.

Существенно, однако, что с экспериментом Комптона был связан своего рода парадокс. С помощью кристаллического спектрометра измерялась волновая характеристика – длина волны рассеянного излучения, причем измерялась она с помощью типично волнового явления – интерференции. Однако влияние графитового рассеивателя на величину этой волновой характеристики можно было понять лишь на основе представления о корпускулярных свойствах рентгеновских квантов.

Результаты многочисленных экспериментов наводили на мысль, что, по выражению Эренфеста, «ни волновая, ни квантовая теории не в состоянии охватить все области световых явлений». Поэтому к 1925 году многие из физиков уже благосклонно воспринимали идею о том, что свет не является в полном смысле ни волной, ни потоком частиц, а представляет собой явление особого рода, проявляющее иногда волновые, а иногда корпускулярные свойства.