Корпускулярно-волновой дуализм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Корпускулярно-волновой дуализм

Принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций.

В частности, свет -- это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей. Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

История развития

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

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики -- энергия E и импульс p, а с другой стороны -- волновые характеристики -- частота и длина волны.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 году советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Следующую трактовку корпускулярно-волнового дуализма дал физик В. А. Фок (1898--1974)^[2]:

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.

Однако Ричард Фейнман в ходе построения квантовой теории поля развил общепризнанную сейчас формулировку через интегралы по траекториям, которая не требует использования классических понятий «частицы» или «волны» для описания поведения квантовых объектов.

Корпускулярно-волновая двойственность света

Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами.

Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные -- в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке -- кристаллической решетке твердого тела.

Волны де Бройля

Физика атомов, молекул и их коллективов, в частности кристаллов, а также атомных ядер и элементарных частиц изучается в квантовой механике. Квантовые эффекты являются существенными, если характерное значение действия (произведение характерной энергии на характерное время или характерного импульса на характерное расстояние) становится сравнимым с (постоянная Планка). Если частицы движутся со скоростями много меньше, чем скорость света в вакууме c, то применяется нерелятивистская квантовая механика; при скоростях близких к c -- релятивистская квантовая механика.

В основе квантовой механики лежат представления Планка о дискретном характере изменения энергии атомов, Эйнштейна о фотонах, данные о квантованности некоторых физических величин (например, импульса и энергии), характеризующих в определенных условиях состояния частиц микромира.

Де Бройль выдвинул идею о том, что волновой характер распространения, установленный для фотонов, имеет универсальный характер. Он должна проявляться для любых частиц, обладающих импульсом p. Все частицы, имеющие конечный импульс p, обладают волновыми свойствами, в частности, подвержены интерференции и дифракции.

Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны л, связанной с движущейся частицей вещества, от импульса p частицы:

где m -- масса частицы, v -- ее скорость, h -- постоянная Планка. Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля.

Другой вид формулы де Бройля:

где -- волновой вектор, модуль которого -- волновое число -- есть число длин волн, укладывающихся на 2р единицах длины, -- единичный вектор в направлении распространения волны,

Дж·с.

Длина волны де Бройля для частицы с массой m, имеющей кинетическую энергию W_k

В частности, для электрона, ускоряющегося в электрическом поле с разностью потенциалов вольт

Формула де Бройля экспериментально подтверждается опытами по рассеянию электронов и других частиц на кристаллах и по прохождению частиц сквозь вещества. Признаком волнового процесса во всех таких опытах является дифракционная картина распределения электронов (или других частиц) в приемниках частиц.

Волновые свойства не проявляются у макроскопических тел. Длины волн де Бройля для таких тел настолько малы, что обнаружение волновых свойств оказывается невозможным. Впрочем, наблюдать квантовые эффекты можно и в макроскопическом масштабе, особенно ярким примером этому служат сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Фазовая скорость волн де Бройля свободной частицы

где щ = 2рн -- циклическая частота, W -- кинетическая энергия свободной частицы, E -- полная (релятивистская) энергия частицы, p = mv -- импульс частицы, m, v -- её масса и скорость соответственно, л -- длина дебройлевской волны. Зависимость фазовой скорости дебройлевских волн от длины волны указывает на то, что эти волны испытывают дисперсию.

Фазовая скорость v_f волны де Бройля относится к числу принципиально ненаблюдаемых величин и является чисто математическим объектом.

Групповая скорость волны де Бройля u равна скорости частицы v:

.

Связь между энергией частицы E и частотой н волны де Бройля

интерференция дифракция волновой атомный

Волны де Бройля имеют специфическую природу, не имеющую аналогии среди волн, изучаемых в классической физике: квадрат модуля амплитуды волны де Бройля в данной точке является мерой вероятности того, что частица обнаруживается в этой точке. Дифракционные картины, которые наблюдаются в опытах, являются проявлением статистической закономерности, согласно которой частицы попадают в определенные места в приёмниках -- туда, где интенсивность волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации, квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.

Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX века и вытекал из предшествующих представлений о свете.

Ньютон считал, что свет - поток корпускул, т. е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и интерференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.

Только в XIX веке Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет - поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет - один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX века, благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.

Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Позднее французский физик Л. де Бройль высказал идею, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальную природу, т.е. присущ всем частицам вещества. Позже эта гипотеза подтвердилась экспериментально.

Корпускулярно-волновым дуализмом обладает и электрон. Многие концепции современной физики, такие как теория электромагнетизма, электродинамика, квантовая механика и др., основываются на представлении об электроне как носителе отрицательного электрического заряда. Однако представления о природе этого явления фактически отсутствуют.

Высказывалась гипотеза о том, что каждому протону в атоме соответствует свой собственный электрон и что природа отрицательного и положительного зарядов различается, в первую очередь, тем, что плотность распределения массы у протона возрастает от периферии к центру, а у электрона - от центра к периферии, т.е. электрон похож на мыльный пузырь, вся масса электрона может быть размазана по поверхности этого пузыря. Эта гипотеза в неявном виде присутствует в современных представлениях о сущности элементарных частиц, в соответствии с которыми элементарные частицы обладают пространственной протяженностью и своеобразной внутренней структурой.

Образ пространственно-структурной и в то же время элементарной по своим свойствам частицы стал фактически общепринятым после экспериментального обнаружения американским физиком-экспериментатором Р.Хофштадтером пространственной «размазки» электрического заряда и магнитного момента протона.

Считается, что свободная, невзаимодействующая микрочастица-это всего лишь математическая абстракция. Реальные физические частицы всегда взаимодействуют с вакуумными полями, испуская и поглощая виртуальные частицы.

Вследствие этого вокруг каждой частицы образуется «облако» виртуальных частиц. И чем меньше масса испускаемых частиц, тем больше размеры образуемого ими облака. Продолжительность отдельных актов виртуальной диссоциации частицы (ее циклов «мигания») очень мала, но благодаря многократным их повторениям возникает постоянная, усредненная структура - «размазка» электрического заряда, магнитного момента, массы, которая становится все более плотной к центру частицы. В этом смысле говорят, что элементарная частица состоит из плотного центрального ядра - керна и рыхлой периферической оболочки.

Такова «синтаксическая» суть современных представлений о природе элементарных частиц. И эти представления содержат в себе явный семантический смысл. В положительно заряженных частицах плотность электрического разряда, плотность массы, магнитного момента возрастает от периферии к центру. Тогда у отрицательно заряженных частиц этот вектор, в силу зеркальной симметрии, должен быть направлен в противоположную сторону, как бы характеризую противоположную волновую функцию частицы, которая по своей форме будет напоминать «мыльный пузырь», в котором процессы образования «облака» виртуальных частиц происходят вовнутрь. Таким образом, семантика этой гипотезы заключается в том, что противоположно заряженные частицы обладают и противоположными пространственно-временными формами, порождающими соответствующие противоположные заряды и магнитные моменты. Эти противоположно заряженные частицы характеризуются, в отличие от нейтральных частиц, энергетической активностью. Следовательно, электрический заряд может характеризовать знак направления вектора энергетической активности частицы. Учитывая квантовый характер физических величин микромира, можно сказать, что энергетическая активность в элементарных частицах также должна быть квантованной и непосредственно связана с квантами электромагнитного поля.

Периодичность энергетической активности проявляется на всех уровнях иерархии материи и находит свое отражение в Едином Периодическом законе эволюции материи, в эволюции любого двойственного отношения. Эта периодичность вскрывает волновую природу двойственных отношений, характеризуя единство «частицы» и «волны» и порождая тем самым корпускулярно-волновой дуализм Единого Периодического закона, как в физике материи, так и в физике духа.

Естественно, что такие структуры могут и должны обладать корпускулярно-волновым дуализмом. Но, к сожалению, корпускулярно-волновой дуализм трактуется только в вероятностном смысле. Так, из противоречия между гипотезой о вращении электрона вокруг протона по стационарным орбитам и экспериментом, согласно которым можно говорить только о вероятностных орбитах электрона, вытекает вывод об электронном облаке, которое образуют вероятностные орбиты. И физики уже давно смирились с этими фактами, не пытаясь проникнуть в их физическую природу.

Размещено на Allbest.ru