6.6. В чём состоит сущность корпускулярно-волнового дуализма?
Важной особенностью объектов микромира является их КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – сочетание свойств двух видов материи – вещества (частицы либо потока частиц) и поля (излучения). Вещественная (телесная) форма существования материи обладает массой покоя (m0>0), а поле её не имеет (m0=0). При этом в повседневной жизни понятие «вещество» обычно носит довольно узкий и конкретный смысл. Под веществом понимают каждый отдельный вид материи, обладающий известным химическим составом и набором физических свойств: например, вода, железо, кислород.
Проявление того или иного характера объекта ЗАВИСИТ ОТ СПОСОБА НАБЛЮДЕНИЯ МИКРООБЪЕКТА.
В процессе взаимодействия макроскопического измерительного прибора с квантовым микрообъектом последний проявляет либо континуальные (волновые), либо дискретные (корпускулярные) свойства. Эти свойства в рамках квантовой теории являются взаимно дополнительными и обеспечивают полное возможное знание о микрообъекте. Составными частями концепции корпускулярно-волнового дуализма являются:
1. УРАВНЕНИЕ ВОЛН Де БРОЙЛЯ. Импульс релятивисткой (движущейся со скоростью света) частицы, выраженный Л. де Бройлем, составляет
p = mc.
Принимая во внимание формулу М. Планка, описывающую дискретный характер светового излучения
E = h
и связь длины волны с частотой колебаний v
= c/v,
было получено выражение длины волны для релятивисткой частицы с известным импульсом:
mc2=h
mc = p = h/c = h/
= h/p
2. ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ Н. Бора (см. п. 6.2).
Квантовая теория в качестве фундаментального принимает также ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ В. ГЕЙЗЕНБЕРГА: частица не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, а неопределенности в установлении координаты (х) и импульса (р) связаны соотношением неопределенностей:
(х) (р) h.
Для микрообъектов НЕЛЬЗЯ ГОВОРИТЬ ОБ ОДНОВРЕМЕННОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ КООРДИНАТ И ИМПУЛЬСА: понятие «длина волны в точке» лишено физического смысла.
6.7. Каким образом удаётся экспериментально обнаружить волновые свойства частиц и, напротив, корпускулярные свойства волн?
Типичным примером, иллюстрирующим волновые свойства элементарных частиц, является дифракция электронов на двух щелях (Х. Йенсен, 1961 г.).
В этом опыте параллельный пучок моноэнергетических электронов падает на диафрагму с двумя щелями (Рис. 11). Волновые свойства электронов приводят к образованию на экране, расположенном за диафрагмой интерференционной картины, состоящая из чередующихся максимумов и минимумов (кривая А).
В случае, когда открыта только щель 1 либо щель 2, распределение электронов на экране определяется вкладом только от одной щели (кривая 1' либо 2' соответственно). Если бы каждый электрон проходил через вполне определенную щель (1 или 2), то распределение электронов на экране при открытых обеих щелях описывалось бы кривой В – суммой кривых 1' и 2'.
Рис. 12. Схема дифракции электронов на двух щелях (Х. Йенсен) [91]
Резкое отличие кривой В от наблюдаемой на практике интерференционной картины приводит к выводу, что ЭЛЕКТРОН как бы ОДНОВРЕМЕННО ПРОХОДИТ ЧЕРЕЗ ОБЕ ЩЕЛИ диафрагмы. То есть, электрону нельзя приписать определенную траекторию движения.
В соответствии с уравнением де Бройля (п. 6.5), для электрона, обладающего как частица известными массой и зарядом (Приложение 3), при скорости 1/3 скорости света длина волны составляет =10-8 см. Это соответствует порядку атомных размеров (т.е. радиуса электронной оболочки).
Типичными примерами обратного характера – проявления корпускулярных свойств волнами – являются ФОТОЭФФЕКТ (вырывание светом электронов с поверхности металлов) и ЭФФЕКТ КОМПТОНА (рассеяние света на электронах).