Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Гипотеза де Бронля
Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Гипотеза де Бронля 

 
Изученные ранее оптические явления показывают, что свет обладает двойственной природой.В одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация и др.) свет проявляет себя как волны и опнсызается уравнением волны для светового зек-тора (вектора напряженности электрического поля волны) В других явлениях (фотоэффект, тепловое излучение, эффект Комптона и др.) отчетлизо выражено позедение света как частиц с энергией s = /m, массой Таким образом, свет соединяет в себе такие свойства как бесконечная протяженность волны и локализация частицы в пространстве. Многие законы физики отражают симметрию в природе. Например, проводник с током создает магнитное поле и наоборот - электрический ток порождается переменным магнитным полем. Применяя этот принцип теории познания (принцип симметрии), можно предположить, что обычные частицы вещества (электроны, протоны, атомы, молекулы и др.) в некоторых условиях ведут себя как волны. Именно такую гипотезу в 1923 г выдвинул французский физик Луи де Бройль. он придал соотношению для импульса фотона универсальный характер, т.е. длина волны для частицы Эта формула называется формулой Луи де Бройля. а дебройлевской длиной волны для частицы с импульсом. Гипотеза становится научной теорией, если она подтверждается опытным путем. Поскольку частиыы обладают волновыми свойствами, то для них должны наблюдаться дифракиия и интерференция. Эти явления осуществляются при определенном соотношении длины волны н периода решетки, поэтому необходимо преобразовать формулу так. чтобы было понятно, как можно изменять длину волны: Если частица заряженная, то её кинетическую энергию можно изменять с помошъю электрического поля: где заряд частицы; разность потенциалов двух точек поля. Тогда Для электронов, ускоренных в электрическом поле Это значение по порядку величины совпадает с периодом кристаллической решетки. Поэтому для проверки гипотезы де Бройля Дэвиссон и Джермер (1927 г) выбрали монокристалл никеля Пучок ускоренных электронов направлялся на поверхность кристалла, сошлифованную так, чтобы атомные плоскости с межплоскостным расстоянием нм были перпендикулярны плоскости падения. Приемник электронов перемещался в плоскости падения электронов. При угле и ускоряющем напряжении В наблюдался отчетливый максимум. Длина волны де Бройля, вычисленная по формуле и по условию дифракционного максимума совпали с точностью до сотых долей нанометров. Позднее российский физик Тартаковскнй осуществил дифракцию электронов на поликристаллических пластинках. Электрон при ударе о фотопластинку оказывает на нее такое же действие, как свет. олученная таким образом картина рассеяния электронов при прохождении через тонкую фольгу из золота имеет вид. типичный для дифракции света (рис. 2.2). Гипотеза де Бройля экспериментально подтверждена для других частиц - протонов, нейтронов, молекул, для очень слабых потоков частиц. Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи всем микрочастицам. Опыты по дифракции частиц привели к созданию приборов для изучения структуры поверхностных слоев веществ - электронографов и приборов для изучения структуры органических веществ - нейтронографов. Соотношения неопределенностей Опыты по дифракции частиц показывают, что отклонение частицы на тот или иной угол - явление случайное, подчиняющееся теории вероятностей: вероятность попадания в область максимума больше, чем в область минимума. Это говорит о том, что координаты и скорости частиц также имеют случайные значения, т.е. могут быть определены с некоторой вероятностью. Существует принципиальный предел точности измерения этих величин. Произведение неопределенностей координаты Ах и импульса Арх не может быть меньше постоянной Планка. Это утверждение называют принципом неопределенностей Гейзенберга (по имени немецкого физика, сформулировавшего его в 1927 г). Математически это записывается так: Подобно выражению выполняются соотношения для проекций импульса на оси , причем, каждое из них не зависит от других. Истинный смысл этих соотношений состоит в том, что в природе не существует состояний частицы с точно определенными значениями обеих величин. если и наоборот. Таким образом, теряет смысл понятие траектории. Значение соотношений неопределенностей в том. что они устанавливают границы применимости законов классической физики. Если величины, характеризующие состояние частицы, сравнимы с постоянной Планка, то применяется квантово-механический способ описания физических явлений. В противном случае - законы классической физики. Соотношения неопределенностей являются одним из фундаментальных положений квангозой теории, они отражают волновую природ микрочастиц. Учитывая связь между импульсом и кинетической энергией частицы Это соотношение неопределенностей Гейзенберга для энергии и времени. Трактовка его такая же. как . Д.ля измерения энергии с погрешностью необходимо время, не меньшее, чем Соотношения неопределенностей во многих случаях позволяют предсказать поведение системы. Зная энергию состояния частицы, можно оценить время жизни её в этом состоянии. Волновая функция Экспериментальное подтверждение волновых свойств частиц привело к необходимости отыскания соответствующей функции для описания состояния частицы. Естественно эта функция должна содержать величины, характерные, как для волн, так и для частиц. Уравнение для вектора напряженности электрического поля световой волны можно переписать в комплексной форме Аналогично для некоторой частицы можно записать волновую функцию, обозначив её у и выразив чисто волновые величины со и к через характеристикн частиц: энергия кванта Волновой вектор выражается через импульс частицы, если считать, что это длина волны де Бройля Приведенные рассуждения нельзя считать выводом для математического выражения волновой функции . Выражение это уравнение плоской волновой функции, здесь полная энергия частицы, проекция импульса на направление ОХ. Функцию можно записать через радиус-вектор, характеризующий положение частицы в пространстве: Волновая функция, будучи комплексной, является ненаблюдаемой. Сопряженные величины риг связаны соотношениями неопределенностей, они не могут быть определены одновременно точно. Все это говорит о том, что волновая функция характеризует вероятностный характер поведения микрочастиц. Так, например, квадрат модуля функции дает плотность вероятности нахождения частицы в заданном объеме пространства: здесь комплексно-сопряженная функция. Эта величина является экспериментально наблюдаемой, что подтверждается опытами по дифракции частиц