Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля.

Французский ученый Луи де Бройль, развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом сопоставляются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия Е и импульс р, а с другой стороны - волновые характеристики - частота v и длина волны λ.Формулы, связывающие волновые и свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

E = ћ ω; р = 2 π ћ / λ,

где ћ - постоянная Планка.

Смелость гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности, для таких, которые обладают массой покоя.

Таким образом, с любой частицей, обладающей импульсом р ⁼ mv (v— скорость частицы, т— её масса), сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:

λ = 2 π ћ / р

Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом р = т v.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками Л. Джермером (1896-1971) и К. Дэвиссоном (1881-1958), которые обнаружили дифракцию электронов. Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля.

Рис. 3.2. Дифракция электронов.

В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою "классическую" независимость. Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях - как движение "классических" частиц, а в других случаях как распространение "классических" волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин "относительность к средствам наблюдения" ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.

Таким образом, дуализм микрообъектов, заключающийся в объединении в одном микрообъекте одновременно волновых и корпускулярных свойств, представляет собой фундаментальную характеристику объектов микромира.