Корпускулярно - волновой дуализм

Это нерелятивистский случай, т. к. кинетическая энергия электрона eU = 100 эВ много меньше энергии покоя mc2 ≈ 0,5 МэВ. Расчет дает значение λ ≈ 0,1 нм, то есть длина волны как раз оказывается порядка размеров атома. Для таких электронов кристаллическое вещество является хорошей дифракционной решеткой. Именно такие малоэнергичные электроны дают отчетливую дифракционную картину в опытах по дифракции электронов. В то же время такой электрон, испытавший дифракционное рассеяние на кристалле как волна, взаимодействует с атомами фотопластинки как частица, вызывая почернение фотоэмульсии в какой-то определенной точке (рис. 2). Таким образом, подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и волновые, и корпускулярные свойства, однако, они не являются ни волной, ни частицей в классическом понимании. Разные свойства микрообъектов не проявляются одновременно, они дополняют друг друга, только их совокупность характеризует микрообъект полностью. В этом заключается сформулированный знаменитым датским физиком Н. Бором принцип дополнительности. [4, с. 189]

Можно условно сказать, что микрообъекты распространяются как волны, а обмениваются энергией как частицы. С точки зрения волновой теории, максимумы в картине дифракции  электронов соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. В области максимумов, зарегистрированных на фотопластинке, попадает большое число электронов. Но процесс попадания электронов в различные места на фотопластинке не индивидуален. Принципиально невозможно предсказать, куда попадет очередной электрон после рассеяния, существует лишь определенная вероятность попадания электрона в то или иное место. Таким образом, описание состояния микрообъекта и его поведения может быть дано только на основе понятия вероятности.

  
3 Доказательство гипотезы де Бройля, сущность явления

Экспериментально эта  гипотеза была подтверждена в 1927г. американскими  физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером, впервые обнаружившими явление  дифракции электронов на кристалле  никеля. Как мы уже знаем, явление дифракции свидетельствует о типично волновом характере явления. Впоследствии такая же дифракционная картина была обнаружена у протонов, нейтронов и других элементарных частиц при прохождении ими через дифракционную решетку.

Таким образом, было установлено, что как фотоны, т.е. кванты света, так и вещественные частицы, такие, как электрон, протон, нейтрон и другие, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это принципиально новое явление, названное впоследствии дуализмом волны и частицы, совершенно не укладывалось в рамки классической физики. Действительно, раньше считали, что объекты ее изучения могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами. В отличие от этого микрообъекты, имеющие квантовый характер, обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Например, в одних экспериментальных условиях электрон обнаруживает типично корпускулярные свойства, а в других - волновые свойства, так что его можно было назвать как частицей, так и волной. Тот факт, что поток электронов представляет собой поток мельчайших частиц вещества, знали и раньше, но то, что этот поток обнаруживает волновые свойства, образуя типичные явления интерференции и дифракции, подобно волнам света, звука или жидкости, оказалось полной неожиданностью для физиков. [4, с. 211]

Для лучшего понимания  всех дальнейших вопросов проделаем  такой мысленный эксперимент. Пусть  мы имеем устройство, которое дает поток электронов, например электронную  пушку. Поставим перед ней тонкую металлическую пластинку с двумя булавочными отверстиями, через которые могут пролетать электроны. Прохождение электронов через эти отверстия регистрируется специальным прибором, например счетчиком Гейгера или электронным множителем, подсоединенным к динамику. Если подсчитать количество электронов, прошедших отдельно через первое отверстие, когда второе закрыто, и через второе, когда первое закрыто, а потом через оба открытых отверстия, то окажется, что сумма вероятностей прохождения электронов, когда открыто отдельно одно из отверстий, а потом другое, не будет равна вероятности их прохождения при двух открытых отверстиях.

Это свидетельствует  о наличии интерференции при  прохождении электронов через оба  отверстия. Интересно отметить, что  если на прошедшие за экраном электроны воздействовать светом, то интерференция исчезнет. Следовательно, фотоны, из которых состоит свет, влияют на характер движения электронов и изменяют его. Здесь перед нами совершенно новое явление, заключающееся в том, что всякая попытка наблюдения микрообъектов сопровождается изменением характера их движения. Поэтому любое наблюдение микрообъектов с помощью приборов и измерительных средств исследователя в мире мельчайших частиц материи сопровождается изменением их состояния. Конечно, влияние средств наблюдения на наблюдаемые объекты было известно ученым и в классической физике. Но оно никак не учитывалось в классических теориях. В квантовой же физике этим влиянием уже нельзя было пренебречь. Именно это обстоятельство вызывает обычно возражение со стороны тех, кто не видит различия между микро- и макрообъектами. В макромире, в котором мы живем, мы не замечаем влияния приборов наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, поскольку практически такое влияние чрезвычайно мало и поэтому им можно пренебречь.

Другое принципиальное отличие микрообъектов от макрообъектов  заключается в наличии у первых корпускулярно-волновых свойств, но наличие  таких взаимоисключающих, противоречивых свойств у макрообъектов целиком  отвергается сторонниками классической физики. Хотя классическая физика и признает обособленное существование корпускулярных свойств у вещества и волновых свойств у поля, но отрицает существование объектов, обладающих одновременно такими свойствами. Корпускулярные свойства она приписывает только веществу, а волновые - исключительно физическим полям (акустическим, гидродинамическим, оптическим или электромагнитным). [5, с. 154]

Заключение

Таким образом, было установлено, что не только фотоны, т. е. кванты света, но и материальные, вещественные частицы, такие, как электрон, протон, нейтрон и другие, обладают двойственными свойствами.

Следовательно, все микрообъекты обладают как корпускулярными, так  и волновыми свойствами. Это явление, названное впоследствии дуализмом волны и частицы, совершенно не укладывалось в рамки  классической физики,  объекты изучения которой могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами.  В отличие от этого микрообъекты обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Например, в одних экспериментах электрон обнаруживал типично корпускулярные свойства, а в других — волновые свойства, так что его можно было назвать как частицей, так и волной. Тот факт, что поток электронов представляет собой поток мельчайших частиц вещества, знали и раньше, но то, что этот поток обнаруживает волновые свойства, образуя типичные явления интерференции и дифракции, подобно волнам света, звука и жидкости, оказалось полной неожиданностью для физиков.

Никакое наблюдение микрообъектов независимо от приборов и измерительных средств субъекта в мире мельчайших частиц материи невозможно. Именно это обстоятельство вызывает обычно возражение со стороны тех, кто не видит различия между микро- и макрообъектами. В макромире, в котором мы живем, мы не замечаем влияния приборов наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, поскольку практически такое влияние чрезвычайно мало и поэтому им можно пренебречь. В этом мире как приборы и инструменты, так и сами изучаемые тела характеризуются тем же порядком величин.

Список литературы

1. Горохов В. Г. Концепции современного естествознания. - М: Инфра-М, 2000. – 366 с.

2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. - М.: Центр, 2007. – 376 с.

2. Гриб А.А. Концепции современного естествознания. - М.: Бином: Лаб. Знаний, 2003. – 410 с.

3. Друянов Л. А. Законы природы и их назначение. - М.: Просвещение, 2002. – 420 с.

4. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. — Новосибирск, 2007. – 432 с.

5. Карпенко С. X. Основные концепции естествознания. - М.: Культура и спорт, 2005. – 428 с.

6. Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. - М.: Наука, 2004. – 440 с.

3. Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. - М.: Академический проект, 2001. – 208 с.

4. Концепция современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Изд. третье. - Ростов н/Д: «Феникс», 2004. – 298 с.

5. Лавриненко В.Н., Ратников В.П. Концепции современного естествознания. – М.: изд-во «Юнити», 2003. – 320 с.

6. Мотылёва Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков А.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов – СПб.: Издательство Союз, 2000. – 520 с.

7. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. – М.: Гардарики, 2000. – 380 с.

9. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М., 2002. – 408 с. 

10. Торосян В. Г. Концепции  современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высш. шк., 2002. – 428 с.