Корпускулярно-волновой дуализм в объяснении свойств вещества
(№50)
Электромагнитное поле
(ЭМП),
в частности, свет,
проявляет двойственную природу, и это
подтверждено рядом экспериментов.
Квантовая механика, созданная для
описания свойств квантовых объектов,
основывается на предположении Луи де
Бройля о том, что так же как свету присущи
одновременно свойства частицы (корпускулы)
и волны, так и электроны
и
любые
другие частицы материи наряду
с
корпускулярными обладают также
волновыми свойствами. Каждому
такому объекту присущи как корпускулярные
характеристики — энергия
E
и
импульс
p,
так и волновые характеристики — частота
и
длина
волны
.
Соотношение
между корпускулярными и волновыми
характеристиками частиц такие же, как
для фотонов
и
Изменение положения микрочастицы, не
подвергающейся действию полей, при её
движении вдоль
оси Ох,
по де Бройлю, можно представить как
волновой процесс, т.е. описать функцией
плоской волны
с частотой
и волновым числом
Чтобы это проверить, следует оценить примерный масштаб величин. Например, в движении электронов, управляемом ЭМП электроны, вылетевшие из горячего катода попадают в электростатич. поле с разностью потенциалов U, их энергия -
Тогда, по де Бройлю, значение длины
волны
к-рое может быть сопоставлено с движением
электрона,
10-8
см.
Гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально в экспериментах по дифракции электронов на монокристаллах металлов (естественных дифракционных решётках, опыты Девиссона и Джермера, 1927) и на поликристаллич. пленках (опыты Томсона и Тартаковского, 1928). Даже в случае чрезвычайно слабых пучков, когда каждый электрон проходил препятствие независимо от других электронов пучка, формировалась дифракционная картина как в проходящем, так и в отражённом пучке электронов (см. схему рис. ).
Полная энергия частицы определяется соотношением
здесь
соответствует
частоте волны де Бройля. Таким образом,
любой частице, обладающей импульсом
(в
том числе и частице, в отличие от фотона,
обладающей массой покоя), сопоставляется
волновой процесс с
длиной волны
определяемой по формуле
де Бройля:
Принцип корпускулярно–волнового дуализма о двойственном описании динамики микрочастиц вещества и поля признан как основа модели современного понимания законов микромира. Этот принцип и заключается в возможности такого подхода к трактовке событий на микроуровне, существенным образом, тем не менее, применим только для микрообъектов. Для макроскопических тел длины волн де Бройля исчезающе малы так, например, частице массой 1г, движущейся со скоростью 1м/с, соответствует длина волны де Бройля с
10-33
м
и волновыми эффектами следует
пренебрегать.
По гипотезе де Бройля движущемуся электрону ставится в соответствие волна
Если электрон движется вокруг атома,
то в стационарном состоянии волна
должна повторять саму себя. Следовательно,
в атомах должны быть только такие
орбиты, длина к-рых кратна волне де
Бройля, и
,
где
r
–
радиус орбиты,
и
тогда
а это означает, что для момента импульса
электрона должно выполняться соотношение:
условие
квантования орбит
в соответствии с правилом
Зоммерфельда-Бора.
Т.о., гипотеза о волновых свойствах
частиц вещества естественно приводит
к необходимости квантования величин
динамических переменных, описывающих
движение в микромире.