Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества

Глава 28

Элементы квантовой механики

Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества

Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представ­ления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль ут­верждал, что не только фотоны, но и элек­троны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают так­же волновыми свойствами.

Итак, согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной сто­роны, корпускулярные характеристики — энергия Е и импульс р, а с другой — волновые характеристики — частота v и длина волны К. Количественные соотно­шения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

E=hv, p=h/l. (213.1)

Смелость гипотезы де Бройля заключа­лась именно в том, что соотношение (213.1) постулировалось не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности для таких, которые обладают массой покоя. Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопо­ставляют волновой процесс с длиной вол­ны, определяемой по формуле де Бройля:

l=h/p. (213.2)

Это соотношение справедливо для любой частицы с импульсом р.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. В 1927 г. американские физики К. Дэвиссон (1881 — 1958) и Л. Джермер (1896—1971) обнаружили, что пучок электронов, рас­сеивающийся от естественной дифрак­ционной решетки — кристалла никеля,— дает отчетливую дифракционную картину. Дифракционные максимумы соответство­вали формуле Вульфа — Брэггов (182.1), а брэгговская длина волны оказалась в точности равной длине волны, вычислен­ной по формуле (213.2). В дальнейшем формула де Бройля была подтверждена опытами П. С. Тартаковского и Г. Томсона, наблюдавших дифракционную картину при прохождении пучка быстрых электро­нов (энергия »50 кэВ) через металличе­скую фольгу (толщиной »1 мкм).

Так как дифракционная картина ис­следовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи не только потоку боль­шой совокупности электронов, но и каж­дому электрону в отдельности. Это уда­лось экспериментально подтвердить в 1948 г. советскому физику В. А. Фабри­канту (р. 1907). Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пуч­ка, когда каждый электрон проходит че­рез прибор независимо от других (проме­жуток времени между двумя электронами в 10⁴ раз больше времени прохождения электроном прибора), возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракцион­ных картин, получаемых при короткой эк­спозиции для потоков электронов, в де­сятки миллионов раз более интенсивных. Следовательно, волновые свойства частиц не являются свойством их коллектива,

а присущи каждой частице в отдельно­сти.

Впоследствии дифракционные явления обнаружили также для нейтронов, про­тонов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказатель­ством наличия волновых свойств микроча­стиц и позволило описывать движение микрочастиц в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля (213.2). Открытие волновых свойств микрочастиц привело к появлению и развитию новых методов исследования структуры веществ, таких, как электро­нография и нейтронография (см. § 182), а также к возникновению новой отрасли науки — электронной оптики (см. § 169).

Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что перед нами универсальное явление, общее свойство материи. Но тогда волновые свойства до­лжны быть присущи и макроскопическим телам. Почему же они не обнаружены экспериментально? Например, частице массой 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с l=6,62•10^-31 м. Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению об­ласти (периодических структур с периодом d»10^-31 м не существует). Поэтому счи­тается, что макроскопические тела про­являют только одну сторону своих свойств — корпускулярную — и не прояв­ляют волновую.

Представление о двойственной корпускулярно-волновой природе частиц ве­щества углубляется еще тем, что на части­цы вещества переносится связь между полной энергией частицы г и частотой v волн де Бройля:

e=hv. (213.3)

Это свидетельствует о том, что соотноше­ние между энергией и частотой в формуле (213.3) имеет характер универсального соотношения, справедливого как для фо­тонов, так и для любых других микроча­стиц. Справедливость же соотношения (213.3) вытекает из согласия с опытом тех теоретических результатов, которые получены с его помощью в квантовой механике, атомной и ядерной физике.

Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества корен­ным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микро­объектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства; в то же время любую из микрочастиц нельзя считать ни части­цей, ни волной в классическом понимании. Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выраже­на словами советского физика-теоретика В. А. Фока (1898—1974): «Можно ска­зать, что для атомного объекта существу­ет потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микро­объекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно» (в сб.: Фило­софские вопросы современной физики.— М.: Изд-во АН СССР, 1959).