Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц.
Ряд экспериментов, проведенных в 10-х – 20-х гг. ХХ в., показали, что частицы, которые привычно представлялись «кирпичиками мироздания», твердыми шариками – корпускулами, - проявляют волновые свойства. Была продемонстрирована дифракция электронов на кристалле, т.е. пучок электронов вел себя аналогично электромагнитной волне. В 1924 г. Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что все частицы (а следовательно, и все тела, состоящие из этих частиц) обладают волновыми свойствами. Мерой этих волновых свойств является так называемая длина волны де Бройля. Действительно, сравним квант (фотон) частоты и длины волны = с/ и электрон с импульсом р = mev:
;
;
.
Значение Б для обычных тел крайне мало, и их волновые свойства нельзя наблюдать (напомним: для дифракции требовалось, чтобы размер объекта имел порядок ). Именно поэтому в опыте проявляются волновые свойства лишь таких легких частиц, как электрон. Самые крупные объекты, для которых были продемонстрированы волновые свойства – это молекулы фуллерена С60 и С70 (масса 10-24 кг).
Итак, одна из важнейших концепций современности – идея о единстве всех форм материи, и вещества, и поля. Нет принципиальных различий между ними, материя может проявлять себя и как вещество, и как поле. Эта концепция носит название корпускулярно-волнового дуализма (двойственности) материи.
При этом мы вынуждены характеризовать все наблюдаемые величины в терминах классической науки, т.е. на уровне того макромира, в котором существуем сами. Нам трудно вообразить объект, являющийся одновременно и частицей, и волной, поскольку в обыденной жизни мы с такими объектами не встречаемся. Приходится в методологических целях разделять эти понятия. Причины кроются в сложности нашего строения как мыслящих существ. В науке кибернетике показано, что самовоспроизводящаяся система должна обладать высоким уровнем сложности. Мы изучаем микромир как бы извне, будучи неизмеримо сложнее устроены, чем его объекты. Именно и только поэтому дуализм материи не кажется нам очевидным, естественным, присущим ей свойством.
Динамика микрочастиц. Принцип неопределенностей Гейзенберга
Если частица проявляет свойства волны, то она как бы размыта в пространстве, представляя собой волновой пакет. В этом случае невозможно говорить о ее координате. Но нельзя ли, например, принять за таковую начало волнового пакета или координату максимума его огибающей?
Оказывается, неопределенность координаты микрочастицы – это фундаментальное свойство микромира, более того, скорость микрочастицы также не поддается точному измерению. Этот факт никак не связан с точностью измерительных приборов.
Действительно, представим себе, что мы пытаемся измерить координату и скорость частицы и используем для этого свет. Минимальное расстояние, которое нам удастся измерить, будет определяться длиной волны этого света, и чем она меньше, тем точнее будет измерение. Но чем меньше длина волны света, тем выше его частота и больше энергия кванта. Квант, обладающий большой энергией, будет взаимодействовать с исследуемой частицей и передаст ей часть своей энергии. Та скорость, которую мы в результате измерим, будет вовсе не искомой первоначальной скоростью частицы, а следствием ее взаимодействия с измерительным прибором. Итак, чем точнее мы измеряем координату, тем меньше точность измерения скорости, и наоборот.
Для волны х р = E/c = h/c = h/ = h – это максимальная точность.
Формула, выражающая взаимосвязь между неопределенностями нахождения координаты х и импульса р частицы, была получена впервые В.Гейзенбергом и носит его имя:
х р h –