КОРПУСКУЛЯРНО-ХВИЛЬОВА ПРИРОДА МІКРООБ'ЄКТІВ

Електрон так само невичерпний, як і атом, природа нескінченна.

В . І . Ленін

Мікросвіт утворюють мікрочастинки, якими є елементарні частинки (електрони, протони, нейтрони, фотони і інші прості частинки), а також складні частинки, утворені з порівняно невеликого числа елементарних частинок (молекули, атоми, ядра атом і т.п.). Термін «мікрочастинка» відображає тільки одну сторону об'єкта до якого він застосовується. Всякий мікрооб'єкт (молекула, атом, електрон, фотон і т.д.) являє собою утворення особливого роду, що поєднує в собі властивості і частки, і хвилі. Може бути, правильніше було б називати його «часткою-хвилею». Мікрооб'єкт не здатний впливати безпосередньо на наші органи чуття - ні бачити, ні відчувати ег можна. Нічого подібного мікрооб'єктами в сприйманому нами світ не існує. Мікротела не схожі ні на що з того, що нам хоч коли-небудь доводилося бачити.

Раз поведінку атомів так несхоже на наш звичайний досвід, то до нього дуже важко звикнути. І новачкові в науці, і досвідченому фізику - все воно здається своєрідним і туманним. Навіть видатні вчені не розуміють його настільки, як їм хотілося б, і це цілком природно тому що весь безпосередній досвід людини, вся його інтуїція - нд додається до великих тіл. Ми знаємо, що буде з великим предметом; В але саме так найдрібніші тільця не надходять. Тому, вивчаючи їх, доводиться вдаватися до різного роду абстракцій, напружувати уяву і не намагатися пов'язувати їх з нашим безпосереднім досвідом. У докван-товой фізики «зрозуміти» означало скласти собі наочний образ об'єкт або процесу об'єкта або процесу. Квантову фізику не можна зрозумілий в такому сенсі слова. Будь-яка наочна модель неминуче буде діяти за класичними законами і тому непридатна для подання платниками податку на квантових процесів. І найправильніше, що можна зробити, - це відмовитися від спроб будувати наочні моделі поведінки квантових об'єктів. Відсутність наочності спочатку може викликати почуття незадоволеності, але з часом це відчуття проходить і все стає на сво місця.

У перший час фізики були вражені незвичайними властивостями тих дрібних часток матерії, які вони вивчали в мікросвіті. Спроби описати, а тим більше пояснити властивості мікрочастинок за допомогою понять і принципів класичної фізики зазнали явну невдачу. Пошук нових понять і методів пояснення в кінці кінців призвели до виникнення нової квантової механіки, в остаточне побудова і обґрунтування якої значний внесок внесли Е. Шредінгер, В. Гейзенберг М. Борн. На самому початку ця механіка була названа хвильовий на противагу звичайній механіці, яка розглядає свої об'єкти ка складаються з корпускул, або частинок. Надалі для механіки мікрооб'єктів затвердилася назва квантової механіки.

Для полегшення розуміння корпускулярно-хвильової природи мікрочастинок корисно розглянути таку ж подвійну природу пошкодження електромагнітних хвиль, зокрема світла. В результаті поглиблення уявлень про природу світла з'ясувалося, що в оптичних явищах виявляється своєрідний дуалізм. Поряд з такими властивостями світла які найбезпосереднішим чином свідчать про його хвильову природу (інтерференція, дифракція), є й інші властивості настільки ж безпосередньо виявляють його корпускулярну природ (фотоефект, явище Комптона). Розглянемо їх.

Фотоелектричним ефектом, або фотоефектом, називається випускання електронів речовиною під дією світла. У 1905 р А. Ейнштейн показав, що всі закономірності фотоефекту легко пояснюються, есл припустити, що світло поглинається такими ж порціями (квантами) енергії Е = / г V, якими він, за припущенням Планка, випускається. За роздуми про Ейнштейна, енергія отримана електроном, доставляється йому в вид кванта /? Ц який засвоюється їм цілком. Частина цієї енергії, дорівнює роботі виходу, тобто найменшої енергії, необхідної електрону, щоб піти з тіла в вакуум, витрачається на те, щоб електрон міг покинути тіло. Залишок енергії утворює кінетичну енергію Е до електрона покинув речовина. В цьому випадку має виконуватися співвідношення

, Яке називається формулою Ейнштейна. Звідси випливає,

що в разі, коли робота виходу А перевищує енергію кванта / г V, - електрони не можуть покинути метал. Отже, для виникнення фотоефекту необхідно, щоб енергія кванта була більше роботи виходу. Частота у 0 нижче якої не спостерігається фотоефект, називається червоною кордоном фотоефекту. Ейнштейн висунув гіпотезу, що світло поширюється у вигляді дискретних частинок, названих світловими квантами Згодом ці частинки отримали назву фотонів. Енергія фотон визначається його частотою Е = 1гу ; маса спокою фотона дорівнює нулю і фото завжди рухається зі швидкістю с. Сказане означає, що фотон представляє собою частку особливого роду, відмінну від таких частинок, як електрон протон і т.зв., які можуть існувати, рухаючись зі швидкостями, меншими с, і навіть лежачи.

Потік фотонів, що падають перпендикулярно на поглинаючу світло поверхню, надає на неї тиск. Якщо щільність фотонів дорівнює п то тиск світла одно Р = Пе = п1гу , так як кожен фотон повідомляє

стінці імпульс

Особливо виразно проявляється корпускулярні властивості світла в явищі, яке отримало назву ефекту Комптона. У 1923 р А. Комптон, досліджуючи розсіювання рентгенівських променів різними речовинами виявив, що в розсіяних променях поряд з випромінюванням спочатку довжини хвилі містяться також промені більшої довжини хвилі. Різниці між цими довжинами хвиль виявилася залежною тільки від кута, утвореного напрямком розсіяного випромінювання з напрямком первічног пучка. Від первісної довжини хвилі і від природи рассеівающег речовини різниця довжин хвиль не залежить. Всі особливості ефекту Комптона можна пояснити, розглядаючи розсіяння як процес упругог зіткнення рентгенівських фотонів з практично вільними електронами. Вільними можна вважати найслабше пов'язані з атомами електрони, енергія зв'язку яких значно менше гой енергії, котору фотон може передати електрону при зіткненні.

Таким чином, вище розглянуто ряд явищ, в яких світло поводиться як потік частинок (фотонів). Однак не треба забувати, що таки явища, як інтерференція і дифракція світла, можуть бути пояснений тільки на основі хвильових уявлень. Світла притаманний корпускулярноволновой дуалізм (подвійність): в одних явищах проявляється ег хвильова природа і він веде себе як електромагнітна хвиля, в други явищах проявляється корпускулярна природа світла і він веде себе ка потік фотонів.

Новий радикальний крок у розвитку фізики був пов'язаний з поширенням корпускулярно-хвильового дуалізму на дрібні частки речовини - електрони, протони, нейтрони та інші мікрооб'єкти. У класичній фізиці речовина завжди вважалося що складається з частинок, і тому хвильові властивості здавалися явно чужими йому. Тим дивніше виявилося відкриття про наявність у мікрочастинок хвильових властивостей, першу гіпотезу про існування яких висловив в 1924 р відомий французьки вчений Луї де Бройль. «В оптиці, - писав він, - протягом століть занадто нехтували корпускулярним способом розгляду в порівнянні з хвильовим; нс робилася чи в теорії речовини зворотна помилка? ». Допускаючи, що частинки речовини поряд з корпускулярним властивостями мають також і хвильові, де Бройль переніс правила переходу від корпускулярної картини світу до хвильової і на частинки. За ідеєю де Бройля, движени електрона або будь-якої іншої частинки пов'язано з хвильовим процесом з частотою

Гіпотеза де Бройля була незабаром підтверджена експериментально в 1927 р американськими фізиками К. Девіссон і Л. Джермером, вперше які виявили явище дифракції електронів на кристалі нікелю тобто типово хвильову картину. Формула Я = к / Р називається формулою д Бройля і є одним з співвідношень, що лежать в основі сучасно фізики. Для частки з масою т, що рухається з малою швидкістю V, Я = І /.

Поєднуючи в собі властивості частинки і хвилі, мікротела не ведуть себе ні як хвилі, ні як частки. Відмінність мікрочастинки від хвилі поляга в тому, що вона завжди виявляється як неподільне ціле. Ніхто ніколи не чув од, зокрема, пів-електрона. У той же час хвилю можна розділити на частини (наприклад, направивши світлову хвилю на напівпрозорої дзеркало) і сприймати потім кожну частину окремо. А відрізни мікрочастинки від звичної макрочастки в тому, що вона ие має одночасно певними значеннями координати і імпульсу, внаслідок чого поняття траєкторії стосовно мікрочастинок втрачається сенс.

Своєрідність властивостей мікрочастинок найвиразніше виявляється в наступному уявному експерименті. Достовірність наблюдаемог в уявному експерименті ефекту випливає зі спостережень, одержані в ряді реальних експериментів. Направимо на перешкоду з двома вузьким щілинами паралельний пучок моноенергетичних (тобто володіють однаковою кінетичної енергією) електронів. За перепоною поставимо фотопластинку. Спочатку закриємо другу щілину і зробимо експонування протягом певного часу. Почорніння на обробленої фотоплатівці буде характеризуватися кривій 1 на рис. 7.2, 6. Другу фотопластинку піддамо експозиції протягом того ж часу, закривши першу квитанцію щілину. Характер почорніння передається кривої 2 на рис. 7.2, б. Нарешті відкриємо обидві щілини і піддамо експонування протягом того ж часу третю платівку. Картина почорніння, що виходить в последне випадку, зображена на рис. 7.2, в. Ця картина аж ніяк не є еквівалентною положенню перших двох картин. Вона виявляється аналогічної картині, що виходить при інтерференції двох когерентних світлових хвиль. Характе картини свідчить про те, що на рух кожного електрона впливають обидва отвори. Такий висновок несумісний з уявлення про траєкторії. Якби електрон в кожен момент часу знаходилсось в певній точці простору і рухався по траєкторії, він проходив би через певний отвір - перше чи друге. Явище ж дифракції доводить, що в проходженні кожного електрона беру участь обидва отвори - і перше, і друге. Не слід, однак, предс ний ть справ так, що якась частина електрона проходить через один отвір, а друга частина - через друге. Ми вже відзначали, що електрон, як і інші мікрочастинки, завжди виявляється як ціле, з властивою йому масою, зарядом і іншими характерними для нього величинами.

Дифракція мікрочастинок на перешкоді з двома щілинами

Мал. 7.2. Дифракція мікрочастинок на перешкоді з двома щілинами:

1 - при закритій другий щілини; 2 - при закритій першої щілини; 3 - коли обидві щілини відкриті, що ніяк не відповідає простому накладення картин 1 і 2

Таким чином, електрон, протон і атомне ядро є частинки з дуже своєрідними властивостями. Звичайний кулька, даж і дуже малих розмірів (макроскопічна частка), не може служить прообразом мікрочастинки. Зі зменшенням розмірів починають виявлятися якісно нові властивості, які не виявляються у мікрочастинок. Однак при певних умовах поняття траєкторії виявляється приблизно застосовним до руху мікрочастинок, подібно до того як виявляється справедливим закон прямолінійного поширення світла. У формулі де Бройля немає нічого специфічного для електрона ка певної частки. Хвильові властивості повинні бути притаманні любо частці речовини, що має масу т і швидкість V. Переконливий доказ справедливості формули де Бройля і наявності хвильових свойст у частинок було отримано в дослідах по дифракції нейтронів на кристала (див. Рис. 7.2, 6). У ряді випадків за допомогою дифракції нейтронів будова речовин можна досліджувати успішніше, ніж за допомогою рентгенівськ променів або електронів.

Другим незалежним від формули де Бройля співвідношенням, поглиблює уявлення про подвійну корпускулярно-хвильову природу речовини, є перенесена на ці частинки зв'язок між повною енергією вільної частинки Е і частотою уволн де Бройля: Е = Ну. Хвилі д Бройля, пов'язані з рухомими частинками речовини, мають специфічну квантову природу, що не має аналогії в класичній фізиці Для розуміння фізичного змісту хвиль де Бройля істотну помощ можуть надати розглянуті взаємовідносини між корпускулярним і хвильовими властивостями світла. Питання про природу хвиль, пов'язаних з частинками речовини, можна сформулювати як питання про фізичне сенс амплітуди цих хвиль. Замість амплітуди А зручніше розглядати інтенсивність хвилі, пропорційну квадрату модуля амплітуди А 2 .

З дослідів по дифракції електронів випливає, що в цих експериментах виявляється неоднакове розподіл пучків електронів. З хвильової точки зору наявність максимумів числа електронів в деяких напрямках означає, що напрямки відповідають найбільшої інтенсивності хвиль дс Бройля. Іншими словами, інтенсивність хвиль в даній точці простору визначає число електронів, потрапивши в цю точку за 1 с. Це послужило підставою для своєрідного статистичного, імовірнісного тлумачення хвиль де Бройля. Квадрат мод амплітуди хвиль де Бройля в заданій точці є мірою вероятност того, що частка виявляється в цій точці.

Ідеї де Бройля про хвильові властивості мікрооб'єктів були вельми плідні, саме на їх основі був сформульований основний закон руху мікрочастинок. Його знайшов в 1926 р швейцарський фізик Е. Шредінгер:

У цьому рівнянні У (х, у , 2, I) - потенційна енергія; т - маса мікрочастинки; А - сума других похідних по просторових координатах; до - постійна Планка, г = V-1.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >