§2. Корпускулярно-волновой дуализм.

В классической физике используются две основные модели материальных объектов: корпускулы (материальная точка, система материальных точек) в механике и поля, например, электромагнитные поля в электродинамике. В связи с этим, из классической физики известны два вида движения: корпускулярное и волновое. Для корпускулярного вида характерна локализация объекта в пространстве и движение его траектории, для волнового движения - делокализация его в пространстве, так как это движение некой среды.

На уровне макроявлений эти два вида движений четко разграничены и являются как бы двумя полюсами (одно дело движение тела, брошенного под углом к горизонту, другое - движение световой волны).

На уровне микромира - это четкое разграничение в осуществленной мере стирается: движение микрочастицы одновременно характеризуется и корпускулярными, и волновыми свойствами, т.е. микрочастицы не являются ни "чистыми корпускулами", ни "чистыми волнами". Они являются сложными образованьями: в зависимости от условий, в которых находится микрочастица, проявляются в определенной мере ее корпускулярные свойства, а в какой-то мере - волновые свойства. Эти свойства - корпускулярные и волновые - присущи микрообъекту одновременно. Это и принято называть корпускулярно-волновым дуализмом или двойственной природой микрообъектов.

2.1. Квантовая теория света Эйнштейна.

Первоначально идея корпускулярно-волнового дуализма была применена к электрическому излучению. В 19 веке, физики твердо установили волновую природу света (уравнение Максвелла, 1873 г.). Но уже к концу 19 века, было открыто явление фотоэлектрического эффекта (Герц, 1887 г.), законы которого нельзя было объяснить на основе представлений классической физики.

А. Эйнштейн, анализируя идею Планка о дискретности значений энергии линейного гармонического осциллятора, сделал новый шаг на пути развития теории "квант". Он выдвинул новую гипотезу: осцилляторы могут порциями не только испускать, но и поглощать электромагнитную энергию благодаря тому, что само электромагнитное поле состоит из отдельных корпускул - квантов с энергией.

. (2.1)

Используя далее известное релятивистское выражение для энергии в виде

, (2.2)

он получил формулу для импульса , положив массу покоя :

, (2.3)

где - скорость света в вакууме. Если учесть связь волнового вектора волны с длиной в виде известного соотношения

, (2.4)

где - единичный вектор направления распространения фронта волны, то вектор импульса кванта света оказывается равным

. (2.5)

На основе корпускулярных представлений об электромагнитном поле Эйнштейн в 1905 г. разработал количественную теорию фотоэффекта. С помощью этой теории блестяще подтверждены законы фотоэффекта, которые экспериментально были установлены А. Г. Столетовым (1888 - 1890 г.).

Особенно ярко корпускулярные свойства излучения проявились при теоретическом обосновании законов эффекта Комптона (1923 г.), при исследовании рассеяния рентгеновских лучей свободными и связанными электронами. С этого времени кванты света стали называть фотонами.

Опыты С. И. Вавилова с флуктуациями световых пучков дали новое понимание связи волновых и корпускулярных свойств света, а именно: свет обладает двойственной корпускулярно-волновой природой, выражаемой уравнениями Эйнштейна (2.1) и (2.5).