Гипотеза де бройля

В начале ХХ века было открыто двойственное поведение света, получившее название корпускулярно-волнового дуализма. В 1923 году Луи де Бройль предположил, что двойственная природа характерна и для движущихся частиц вещества, т.е. микрочастиц: электронов, протонов, нейтронов и т.д. По аналогии со светом частицам была сопоставлена длина волны

Здесь h — постоянная Планка, m и  — масса и скорость частицы. Это выражение называется формулой де Бройля, а сами волны  волнами де Бройля. Волновые свойства летящих электронов были обнаружены в опытах при изучении прохождения их через тонкие плёнки кристаллических веществ. Была получена чёткая дифракционная картина, позволившая рассчитать длину волны. Эти волны не являются электромагнитными или механическими волнами, распространяющимися в среде. Из оптико-механической аналогии было показано, что волны де Бройля являются волнами вероятности.

Корпускулярно-волновой дуализм

Ранее было показано, что интенсивность электромагнитной волны пропорциональна квадрату её амплитуды I ~  . Если рассматривать свет как поток фотонов, то интенсивность пропорциональна числу фотонов N, проходящих через единичную площадку в единицу времени. Следовательно, I ~ N ~  Таким образом, N ~  , т.е. число фотонов пропорционально квадрату амплитуды напряжённости электрического поля световой волны. Для частиц вводится величина, называемая волновой функцией  (пси функция). Тогда квадрат модуля волновой функции, т.е. величина ², будет пропорциональна числу частиц, которые будут обнаружены в данной точке. Если число микрочастиц мало, то трактовка приобретает вероятностный характер. В случае одной частицы ² определяет вероятность её нахождения в некоторой точке пространства в данный момент времени. Итак, ещё раз отметим, что квадрат модуля волновой функции ² характеризует вероятность обнаружения частицы в данной точке.

В.Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу, что объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью харак­теризовать и координатой и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица не может иметь одновременно и определен­ную координату (х, у, z), и определенную соответствующую проекцию импульса (р_х, р_у, p_z), причем неопределенности этих величин удовлетворяют условиям: , , , где x, у, z – неопределенности координат частицы, а , , - неопределенности компонент импульса. Произведение неопределенностей координаты и соответствующей ей проекции импульса не может быть меньше величины порядка h. То есть, чем точнее мы знаем координату, тем менее определена проекция импульса и наоборот. Отсюда вытекает и фактическая невозможность одновременно с любой, наперед заданной точностью измерить координату и импульс микрообъекта.

Опыт резефорда. Планетарная модель атома

В начале ХХ века уже было известно, что в состав атома входят электроны. Поскольку атом электрически нейтрален, а электрон имеет отрицательный заряд, то было очевидным, что в состав атома входит и положительный заряд. Масса атома значительно превышала массу его электронов. Резерфорд поставил задачу опытным путём изучить распределение положительного заряда внутри атома.

В своём опыте он подверг бомбардировке альфа-частицами тонкую золотую фольгу. Альфа-частицы имели положительный заряд, а их масса почти в 2000 раз превышала массу электрона. Золотая фольга была очень тонкой толщиной 10^–6 м, но по атомным меркам её толщина составляла около 10000 атомных слоёв. Ожидалось, что золотая фольга станет серьёзной преградой на пути альфа-частиц, но оказалось напротив. Основной поток альфа-частиц свободно пролетал сквозь преграду. Из этого вытекало, что атом внутри практически пустой, т.е. положительный заряд занимает очень малый объём атома. Однако отдельные альфа-частицы (очень малая часть) отклонились на значительные углы от первоначального направления. Из этого вытекало, что с маленьким положительным ядром атома связана практически вся его масса.

На основании результатов опыта Резерфорд предложил следующую модель атома. В центре атома расположено положительное массивное ядро, вокруг которого вращаются электроны как планеты вокруг Солнца. Из опыта оценили размер ядра как 10^–14 м, когда размер атома, полученный ранее, составлял порядка 10^–10м. Электроны на орбитах атома удерживала сила кулоновского притяжения, действующая между разноимёнными зарядами.