3.3. Волновые свойства частиц вещества

К пересмотру многих фундаментальных представлений и понятий физика подошла в результате открытия волновых свойств частиц вещества и соотношения неопределенностей.

Волны де Бройля. В 1924 г. Луи де Бройль впервые высказал гипотезу о том, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является общим свойством любых материальных объектов, а не только света: движение реальной частицы соответствует распространению бесконечной волны в пространстве. Любое тело массой m, движущееся со скоростью v, может быть определено не только координатами в пространстве, импульсом р и энергией Е, но и длиной волны  и частотой  = с/ = /2. Де Бройль не пытался выяснить , какова природа волны, характеристики которой предсказал.

По предположению де Бройля, длина волны любого материального объекта связана с его импульсом таким же соотношением, каким связана длина волны фотона с его импульсом, то есть для частиц вещества c релятивистскими энергией Е и импульсом р:

Е = , р = ,

то можно записать соотношения:

 = ,  = = h , p = kћ = k ,

где k = = – волновое число. В нерелятивистском приближении (v  c) имеем:

 = .

Если вещество обладает волновыми свойствами, то для него должны наблюдаться явления дифракции (огибание волнами встречающихся на пути преград) и интерференции (сложения и вычитания волн).

Прямое экспериментальное доказательство того, что электроны могут дифрагировать и интерферировать, было получено в 1927 г. в опытах К. Дэвиссона и Л. Джемера, а также независимо П. С. Тарковским. Особенно впечатляющую картину дифракции наблюдал Дж. П. Томсон, сын Дж. Дж. Томсона, открывшего электрон. Он пропустил поток электронов сквозь тонкую золотую фольгу и получил классическую дифракционную картину, которую могли дать только волны. В настоящее время экспериментаторы наблюдают интерференцию и других частиц, вплоть до молекул. Так, в 2003 г. в Венском университете была впервые обнаружена квантовая интерференционная картина органических молекул биологического происхождения С₄₄Н₃₀N₄, содержащих 78 атомов. В связи с этими экспериментами возникает вопрос: возможна ли квантовая интерференция живых существ?

Важным аргументом в пользу волн де Бройля было то обстоятельство, что с учетом определения волны частицы, например электрона,  = h/p = h/(m_еv_n) правило квантования стационарных орбит электрона по Бору, которое записывается в виде m_ev_nr_n = nћ = nh/(2), принимает вид условия существования замкнутой стоячей волны: 2r_n = n. Из полученного условия следует вывод: электрон, движущийся вокруг ядра, может иметь только такую траекторию, на которой укладывается целое число длин волн де Бройля (рис. 34).

Величина длины волны де Бройля зависит от массы и скорости движущегося объекта, поэтому в повседневной жизни практически невозможно измерить очень маленькие значения дебройлевских длин волн в опытах с макроскопическими телами. Например, дебройлевская длина волны тела массой 6,625 г, движущегося со скоростью 0,1 м/с:

 = = 6,62510^-34/(6,62510^-30, 1) = 10^-30 м,

что в 10²⁰ раз меньше размеров атомов.

Следует отметить, что условие целочисленности волн де Бройля на разрешенных орбитах электронов в атомах в определенной мере объясняет абсолютную идентичность атомов одного и того же элемента вне зависимости от условий их нахождения.

Дальнейшее развитие атомной физики привело к пониманию природы волн, описывающих движение атомных и субатомных частиц с вероятностной точки зрения. Возникла наука, получившая название «квантовая механика».