Вопрос 29: Принцип неопределенности Гейзенберга.

Во многих случаях классические представления неприменимы для описания микрообъектов. В. Гейзенберг (1927) выдвинул идею о принципиальной невозможности измерения определенных пар связанных между собой характеристик частицы так, чтобы они одновременно имели точные значения. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно точных значений координаты (х, у, z) и компонентов импульса (р_х, p_y, p_z), причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию

Δx·Δp_x ≥ ħ,

Δy·Δp_y ≥ ħ, (74)

Δz·Δp_z ≥ ħ,

т. е. произведение неопределенностей координаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньше величины порядка ħ. Следовательно, чем меньше неопределенность одной из величин (х, у, z или р_х, р_у, p_z), тем больше неопределенность другой. В квантовой теории важна еще одна пара канонически сопряженных величин, для которой соотношение неопределенностей (соотношение неопределенностей для энергии и времени) имеет вид

ΔEΔt ≥ ħ, (75)

где ΔЕ – неопределенность энергии некоторого состояния системы, Δt – промежуток времени, в течение которого оно существует. Поэтому если в классической механике наличие координат и импульсов (скоростей) системы точно задает ее поведение во времени и пространстве, то предсказание поведения квантовой системы должно носить вероятностный характер.

Вопрос 28: Волны Де Бройля.

Луи де Бройль в 1924 г. постулировал, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер и распространяется не только на световые корпускулы (фотоны), но и на все частицы материи: частицы вещества (в частности, электроны) наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Количественные соотношения, связывающие корпускулярные (энергия и импульс) и волновые [частота (длина волны)] характеристики микрочастиц, такие же, как для фотона:

E = hv = ħω, p = h/λ = ħk, где k = 2π/λ – волновое число, а ħ = h/2π – постоянная Планка.

Длина волны, связанная с частицей, , (71)

где р – импульс частицы, λ называется длиной волны де Бройля.

Для нерелятивистской частицы длина волны де Бройля , где т₀ – масса покоя частицы. Если Т – кинетическая энергия частицы [Т=р²/(2т)], то (71)

Для релятивистской частицы длина волны де Бройля

(в данном случае ). Выразив с помощью соотношения импульс частицы р через ее полную энергию Е, найдем

Если Т – кинетическая энергия частицы, то Е = Т + т₀с².

Тогда .

Гипотеза де-Бройля была блестяще подтверждена экспериментально. Дэвиссон и Джермер обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от кристаллической пластинки, дает дифракционную картину. Томсон и независимо от него Тартаковский получили дифракционную картину при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу. Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что мы имеем дело с универсальным явлением – общим свойством материи Простейшей волной с частотой ω и волновым вектором k является плоская монохроматическая волна

, (72)

где А – постоянная амплитуда волны, k – волновой вектор (его направление совпадает с направлением распространения волны, а модуль равен 2π/λ).

Согласно корпускулярно-волновому дуализму материи, ω = E/ħ и р = ħk. Учитывая эти соотношения и выражение (72), видим, что с движением частицы, имеющей определенные энергию и импульс, связывается волна вида ,

называемая плоской волной де Бройля.