9.4 Корпускулярно волновой дуализм излучения частиц

Излучение любого источника имеет свой спектр с характерным для него распределением энергии. Электромагнитное излучение, формируемое за счет внутренней энергии тела, называется тепловым. Физическую интерпретацию этого распределения в 1901 г. дал Макс Планк, выдвинув гипотезу, согласно которой свет излучается и поглощается определенными порциями – квантами. Эта гипотеза получила опытное подтверждение при последующем изучении фотоэффекта и комптон – эффекта, подтвердив сложную противоречивую природу света, соединяющего в себе континуальные и дискретные начала. Теоретические аспекты единства этой диады обоснованы А. Эйнштейном. В соответствии с СТО (специальная теория относительности) в природе могут существовать объекты с нулевой массой покоя и отличной от нуля кинетической массойДля таких частиц связь энергии с импульсом может быть записана в виде

где скорость света в вакууме,импульс.

Эти результаты, полученные в СТО, могут быть с успехом переписаны на кванты электромагнитного поля, рассматривая их как реальные частицы – фотоны с кинетической массой и импульсом. Энергия фотона равна

где h – постоянная Планка, частота.

Частоту следует рассматривать как меру энергии. Связь между корпускулярными и волновыми свойствами излучения, отражается формулой

рассматривающей волну как континуальный объект.

Пусть на щель падает параллельный пучок световых лучей (рисунок 9.5). Вследствие дифракции лучи заходят в область геометрической тени, образуя дифракционную картину с чередованием максимумов и минимумов на экране Э.

Рис. 9.5.

Дифракция в параллельном пучке

Наблюдаемую картину дифракции можно истолковать как с позиции волновых представлений, так и корпускулярных. Отверстие щели можно рассматривать как совокупность виртуальных когерентных точечных источников. Волны, излучаемые ими, в соответствии с законом интерференции дают при своем наложении соответствующее распределение энергии в поле световых волн.

В рамках вещественных представлений свет – это поток квантов, что позволяет дать наблюдаемой картине статистическую оценку. Существует некоторое распределение вероятностей, при котором попадания фотона в центр картины (максимум нулевого порядка) является более вероятным, чем в область максимума первого порядка и т. д. Мы не можем детерминировать, указав его вероятность на экране. Отсюда вывод: волна как образ движения света представляет собой волну вероятностей.

Рис. 9.6.

Луи де Бройль

Французский физик Луи де Бройль в 1925 году высказал гипотезу, согласно которой двойственной природе излучения соответствует двойственная природа частиц света. Движение микрочастиц материи не может быть понято и интерпретировано лишь на основе механических моделей. Пучок электронов, направленных на кристалл, при соответствующих условиях дает дифракционную картину такую же, как и пучок рентгеновских лучей соответствующей длины волны, которая по Луи де Бройлю может быть найдена по формуле

по внешнему виду совпадающей с формулой для импульса кванта излучения

При переходе от макромира к микромиру меняются не только масштабы объектов, но изменяется и мера, изменяется качество материи и ее движения. Движение частиц становится волновым. Состояние свободной частицы микромира, движущейся вдоль координатной оси x, должно быть определено волновой функцией, являющейся отражением корпускулярных и волновых свойств микрочастиц

где А – амплитуда волновой функции; волновой вектор;определяет тригонометрические функции синуса и косинуса.