Корпускулярно - волновой дуализм

 

 

Содержание

 

 

Введение

 

Представления о свойствах  и закономерностях окружающей нас природы возникают на основе тех знаний, которые в каждый исторический период дают конкретные науки, изучающие определенные области явлений и процессов природы. Поскольку природа есть нечто единое целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой определенную систему. Такую общую совокупность научных знаний о природе издавна называют учением о природе или естествознанием.

Раньше в естествознание входили все сравнительно немногочисленные знания, которые были известны о природе, но уже с эпохи Возрождения возникают и обособляются отдельные его отрасли и дисциплины, т.е. начинается процесс дифференциации естественнонаучного знания. Ясно, что не все знания являются одинаково важными для понимания природы.

Чтобы подчеркнуть фундаментальный  характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие  естественнонаучной картины мира. Сам  термин «картина мира» указывает  на то, что речь здесь идет не о  части или фрагменте мира, а  о целостной концепции природы. Как правило, в формировании такой картины природы наибольшее значение приобретают фундаментальные понятия и законы наиболее развитых отраслей естествознания, которые в определенный исторический период выдвигаются в качестве основополагающей науки или лидера естествознания. Не подлежит сомнению, что фундаментальные науки оказывают свое влияние на представления о мире других наук и ученых определенной эпохи. Но это не означает, что другие науки не участвуют в формировании картины природы. В действительности такая картина возникает как результат синтеза фундаментальных открытий и законов разных отраслей и дисциплин естествознания.

С течением времени ученые открывают различные явления  и устанавливают закономерности этих явлений, с последующим выводом теории и доказательством ее на практике опытным путем. В данной работе в третьем разделе мы рассмотрим одно из таких явлений отрытых сначала гипотетически французским ученым де Бройлем, а в последующем подтвержденное опытным путем американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером. Речь пойдет о корпускулярно-волновом дуализме микрообъектов.

Цель работы заключается в изучении концепции корпускулярно-волнового дуализма и волновых свойства микрообъектов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- рассмотрена научная картина мира;

- изучена сущность  корпускулярно - волнового дуализма;

- рассмотрено доказательство  и сущность явления гипотезы  де Бройля.

 

1 Научная картина мира

 

Научная картина мира - это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественно-научных понятий, принципов, методологических установок или - особая форма систематизации знаний, качественное обобщение и мировоззренческий синтез различных научных теорий.

Будучи целостной системой представлений об общих свойствах  и закономерностях объективного мира, научная картина мира существует как сложная структура, включающая в себя в качестве составных частей общенаучную картину мира и картины мира отдельных наук (физическая, биологическая, геологическая и т.п.). Картины мира отдельных наук, в свою очередь, включают в себя соответствующие многочисленные концепции - определенные способы понимания и трактовки каких-либо предметов, явлений и процессов объективного мира, существующие в каждой отдельной науке.

В структуре научной  картины мира можно выделить два главных компонента - понятийный и чувственно-образный. Понятийный представлен философскими категориями (материя, движение, пространство, время и др.) и принципами (материального единства мира, всеобщей связи и взаимообусловленности явлений, детерминизма и др.), общенаучными понятиями и законами (например, закон сохранения и превращения энергии), а также фундаментальными понятиями отдельных наук (поле, вещество, Вселенная, биологический вид, популяция и др.). [4, с. 87]

Чувственно-образный компонент научной картины мира - это совокупность наглядных представлений о тех или иных объектах и их свойствах (например, планетарная модель атома, образ Метагалактики в виде расширяющейся сферы и др.).

Основой современной  научной картины мира являются фундаментальные  знания, полученные, прежде всего, в  области физики. Однако в последние  десятилетия прошлого века все больше утверждалось мнение, что в современной научной картине мира лидирующее положение занимает биология. Это выражается в усилении влияния, которое оказывает биологическое знание на содержание научной картины мира. Идеи биологии постепенно приобретают универсальный характер и становятся фундаментальными принципами других наук. В частности, в современной науке такой универсальной идеей является идея развития, проникновение которой в космологию, физику, химию, антропологию, социологию и т.д. привело к существенному изменению взглядов человека на мир.

Главное отличие научной  картины мира от ненаучных картин мира (например, религиозной) состоит  в том, что научная картина  мира строится на основе определенной доказанной и обоснованной фундаментальной  научной теории. Вместе с тем научная  картина мира как форма систематизации знания отличается от научной теории. Если научная картина мира отражает объект, отвлекаясь от процесса получения знания, то научная теория содержит в себе не только знания об объекте, но и логические средства проверки их истинности. Научная картина мира играет эвристическую роль в процессе построения частных научных теорий. [6, с. 112]

Важнейшие концепции  естествознания служат основой научных  представлений об общей картине  природы, поскольку в них формулируются  фундаментальные понятия, принципы и законы естествознания в каждую историческую эпоху его развития. Именно они составляют научную основу картины природы в целом и поэтому в значительной степени определяют научный климат эпохи. В теснейшем взаимодействии с развитием наук о природе, начиная с XVII в., развивалась математика, которая создала для тогдашнего естествознания такие мощные математические методы, как дифференциальное и интегральное исчисления, а также дальнейшие их ответвления.

Основой картины природы  и мира в целом служили мировоззренческие и философские идеи о строении мироздания, законы его изменения и развития. Человек всегда стремился понять окружающий его мир и свое место в нем. Поэтому уже на ранних этапах цивилизации возникают мифологические и религиозные представления о мире, которые со временем вытесняются научными взглядами на него.

Однако без учета  результатов исследования экономических, социальных и гуманитарных наук наши знания о мире в целом будут  заведомо неполными и ограниченными. Человек не только природное существо, он теснейшими узами связан с обществом, в котором протекает вся его деятельность. Фундаментальные понятия и принципы жизнедеятельности общества составляют вторую, дополнительную часть целостной научной картины мира. Поэтому следует различать естественнонаучную картину природы, которая составляет первую часть общей картины мира и формируется из результатов исследований и достижений наук о природе. Общая же научная картина мира представляет собой синтез фундаментальных понятий, принципов и закономерностей естествознания и обществознания. [8, с. 113]

Преимущество научной  картины мира, благодаря которому она вытеснит все прежние картины, состоит в ее «единстве - единстве по отношению ко всем исследователям, всем народностям, всем культурам». Следовательно, она имеет объективный характер, и поэтому ее цель «состоит не в полном приспособлении наших мыслей к нашим ощущениям, а в полном освобождении физической картины мира от индивидуальности творческого ума».

Разумеется, без творческой деятельности ученого, его воображения и интуиции, невозможно создание картины мира, но в окончательном виде эта картина не должна содержать каких-либо ссылок на индивидуальные особенности исследователя. Именно поэтому есть возможность ее использования учеными разных народов и культур.

Картина мира у любого человека слишком индивидуальна, поскольку  она основана на собственном опыте, личных впечатлениях и ощущениях. Наука  стремится найти объективные, не зависящие от индивидуального субъекта закономерности природы. Поэтому в  науке приходится абстрагироваться от личных ощущений и представлений и построить такую систему знаний о природе, с которой мог бы согласиться каждый исследователь. Ясно, что не всякая система знаний представляет собой картину природы. Для этого необходимо, во-первых, чтобы эта система отображала наиболее фундаментальные свойства и закономерности природы; во-вторых, все такие свойства должны рассматриваться в рамках единой, целостной картины, так как никакой отдельный фундаментальный закон естествознания не составляет еще картины природы; в-третьих, естественнонаучная картина мира должна быть такой общей теоретической моделью окружающей природы, которая допускает дополнения, исправления и уточнения в связи с развитием научных представлений о мире; в-четвертых, научную картину мира следует постоянно соотносить и сверять как с самой природой, так и с изменением фундаментальных знаний о ней.

В процессе эволюции и  прогресса научного познания происходит смена старых понятий новыми понятиями, менее общих теорий более общими и фундаментальными теориями. А это со временем неизбежно приводит к смене научных картин мира, но при этом продолжает действовать принцип преемственности, общий для развития всего научного знания. Старая картина мира не отбрасывается целиком, а продолжает сохранять свое значение, уточняются только границы ее применимости. Электромагнитная картина мира не отвергла механистическую картину мира, а уточнила область ее применения. Аналогично этому квантово-релятивистская картина не отбросила электромагнитную картину, а указала пределы ее применимости. [8, с. 212]

 

2 Корпускулярно - волновой дуализм. Его сущность

 

В природе микрообъекты имеют необычные свойства, которые  проявляются посредством экспериментов. Так учеными было установлено, что  микрообъекты в одних опытах обнаруживают себя как материальные частицы, или корпускулы, в других - как волны.

Новый радикальный шаг  в развитии физики был связан именно с распространением корпускулярно-волнового  дуализма на мельчайшие частицы вещества - электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительнее оказалось обнаружение существования у микрочастиц волновых свойств.

1923 году произошло примечательное событие, которое в значительной степени ускорило развитие квантовой физики. Французский физик Л. де Бройль выдвинул 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 и волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p, а с другой стороны, волновые характеристики – частота ν и длина волны λ. Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями, как и у фотона: [10, с. 165]

Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения для всех микрочастиц, в том числе и для таких, которые обладают массой m. Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны λ = h / p. Для частиц, имеющих массу,

В нерелятивистском приближении (υ << c)

Гипотеза де Бройля основывалась на соображениях симметрии свойств материи и не имела в то время опытного подтверждения. Но она явилась мощным революционным толчком к развитию новых представлений о природе материальных объектов. В течение нескольких лет целый ряд выдающихся физиков XX века – В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак, Н. Бор и другие – разработали теоретические основы новой науки, которая была названа квантовой механикой.

Первое экспериментальное  подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году американскими физиками К. Девиссоном и Л. Джермером. Они обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля, дает отчетливую дифракционную картину, подобную той, которая возникает при рассеянии на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения. В этих экспериментах кристалл играл роль естественной дифракционной решетки. По положению дифракционных максимумов была определена длина волны электронного пучка, которая оказалась в полном соответствии с формулой де Бройля. В следующем 1928 году английский физик Дж. Томсон (сын Дж. Томсона, открывшего за 30 лет до этого электрон) получил новое подтверждение гипотезы де Бройля. В своих экспериментах Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. [4, с. 133]

 

Рисунок 1 - Упрощенная схема опытов Дж. Томсона по дифракции электронов. K – накаливаемый катод, A – анод, Ф – фольга из золота.

 

На установленной за фольгой фотопластинке отчетливо  наблюдались концентрические светлые и темные кольца, радиусы которых изменялись с изменением скорости электронов (то есть длины волны) согласно де Бройлю (рис. 2).

 

Рисунок 2 - Картина дифракции электронов на поликристаллическом образце при длительной экспозиции (a) и при короткой экспозиции (b). В случае (b) видны точки попадания отдельных электронов на фотопластинку.

 

В последующие годы опыт Дж. Томсона был многократно повторен с неизменным результатом, в том числе при условиях, когда поток электронов был настолько слабым, что через прибор единовременно могла проходить только одна частица (В. А. Фабрикант, 1948г.). Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности. Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи. [7, с. 165]

Следовательно, волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Однако вследствие большой массы  макроскопических тел их волновые свойства не могут быть обнаружены экспериментально. Например, пылинке массой 10–9 г, движущийся со скоростью 0,5 м/с соответствует волна де Бройля с длиной волны порядка 10–21 м, то есть приблизительно на 11 порядков меньше размеров атомов. Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области. Этот пример показывает, что макроскопические тела могут проявлять только корпускулярные свойства. Рассмотрим еще один пример. Длина волны де Бройля для электрона, ускоренного разностью потенциалов U = 100 В, может быть найдена по формуле