Лекция 13 «Волновые свойства микрочастиц»
План лекции
1. Волновые свойства вещества. Гипотеза де-Бройля.
2. Экспериментальное подтверждение гипотезы де-Бройля.
2.1. Опыт Дэвиссона – Джермера.
2.2. Волновые свойства микрочастиц. Принцип неопределенности Гейзенберга.
3. Уравнение Шредингера.
Итоги лекции 13
Волновые свойства вещества. Гипотеза де-Бройля
Особенности излучения абсолютно черного тела, фотоэффект, эффект Комптона, боровская полуклассическая-полуквантовая теория атома – все это задачи, при решении которых пришлось рассматривать излучение как поток частиц энергии.
Установлены энергия и импульс каждой такой частицы — фотона:
(13.1)
Физика в своем развитии часто встречалась с границами применимости существующих теорий. При этом разрабатывались новые, более общие решения. «Более общие» в том смысле, что старая теория входила в новую как частный, ограниченный случай.
Совсем по-другому сложились взаимоотношения волновой и квантовой оптики. Ни одна из них не стала частью другой. Остались задачи (дифракция,…), которые решаются в рамках только волновой теории излучения. Существуют явления (фотоэффект,…), которые объясняются только корпускулярной природой света.
Иными словами, как остроумно заметил Уильям Брэгг, «сложилась ситуация, когда каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пятницам считать свет состоящим из частиц, а в остальные дни - из волны».
Лишь при объяснении немногих явлений (прямолинейного распространения света, эффекта Допплера, давления света и ряда других) можно с равным успехом следовать как одной, так и другой теории.
Такая двойственность теории излучения – корпускулярно-волновой дуализм света– навела молодого французского физика Луи де-Бройля на мысль о глобальном характере этой двойственности.
Если волна – частица, то и материальная частица – волна.
Волна-частица обладает энергией и импульсом (13.1).
По де-Бройлю любая материальная частица обладает волновыми свойствами и может характеризоваться соответствующей частотой и длиной волны
(13.2)
Главный постулат де-Бройля означает, что каждая частица материи является местом и источником связанного с ней колебания. Если эта частица движется, то ее колебание представляется неподвижному наблюдателю в виде волны.
Используя этот подход, де-Броль решил задачу о движении электрона в атоме и пришел к боровским квантовым орбитам (т.е. объяснил происхождение спектров). Эта новая концепция привела де-Бройля к закону Планка для излучения черного тела.
В последующих работах де-Бройль показал, что новые принципы позволяют количественно объяснить эффект Допплера, отражение от движущегося зеркала, давление излучения, приводя к тем формулам, которые дает волновая теория.
Нельзя сказать, что гипотеза де-Бройля о волновых свойствах материи получила восторженный прием в научном мире. В 1925 году Эйнштейн, рекомендуя М. Борну познакомиться с диссертацией Луи де-Бройля, сказал буквально следующее:
«Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее написал сумасшедший, но написана она солидно!»
В1926 году эта необычная гипотеза получила свое первое экспериментальное подтверждение.
Экспериментальное подтверждение гипотезы де-Бройля
В 1923 году в одном из своих докладов Парижской Академии наук де-Бройль говорил о возможных путях экспериментальной проверки своей теории:
«Поток электронов, проходя через узкую щель, должен был бы дать явление дифракции».
Однако первое подтверждение справедливости волновой механики было получено в опытах по интерференции электронов.