Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества
НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ
легко понять и запомнить
В 1923 г. стало почти ясно, что теория Бора и старая теория квантов – лишь промежуточное звено между классическими представлениями и какими-то новыми взглядами, позволяющими глубже исследовать квантовые явления. Открытый к этому времени эффект Комптона и изучение фотоэффекта рентгеновских лучей лишний раз подтвердили представления Эйнштейна о световых квантах. Следовательно, с еще большей остротой встала дилемма: что такое свет – волны или частицы? Соотношение Эйнштейна между частотой и энергией, введенное им в теории фотонов, ясно показало, что этот дуализм излучения неразрывно связан с самим существованием квантов. Но тогда почти сам собой возникает вопрос: поскольку свойства электрона в стационарном состоянии атома описываются с помощью постоянной Планка, нельзя ли предположить, что и электрон также двойственен, как и свет?
И в 1924 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу:
Гипотеза де Бройля
Дуализм не является особенностью одних лишь оптических явлений, а присущ также и частицам вещества. По его идее, частицы вещества также должны проявлять волновые свойства, т.е. движение электрона или другой микрочастицы связано с некоторым волновым процессом, длина волны которого должна быть равна.
а частота , где — импульс частицы. Иначе говоря, поведение частиц должно подчиняться также и волновым законам.
Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля было осуществлено Дэвиссоном и Джермером в ходе опытов по отражению электронов от кристаллов никеля.
Узкий пучок моноэнергетических электронов (рис. 1.1) направлялся на поверхность монокристалла никеля. Отраженные электроны улавливались цилиндрическим электродом, присоединенным к гальванометру. В опытах изменялась скорость электронов и угол . И оказалось, что максимальное рассеяние наблюдалось при некотором угле и определенной скорости . Все это было очень похоже на дифракцию рентгеновских лучей.
Максимальное отражение рентгеновского излучения должно наблюдаться в направлении, подчиняющемся формуле Вульфа-Брэггов
где – расстояние между атомными плоскостями, которое было известно из рентгенографических исследований. Рассчитанное по формуле Вульфа-Брэггов (при известных значениях и ) значение равнялось . Вычисленное значение по формуле де Бройля равно ! Совпадение было настолько полным, что опыты Дэвиссона и Джермера следует признать блестящим подтверждением гипотезы де Бройля
поразительный факт: Дэвиссон наблюдал подобное явление за три года до появления работы де Бройля, но не смог правильно истолковать полученные экспериментальные данные
В дальнейшем были проведены опыты по дифракции электронов на тонкой металлической фольге (Томсон, Тартаковский), которые ясно свидетельствовали, что дифракция микрочастиц абсолютно тождественна дифракции рентгеновского излучения.
Существовало предположение, что волновые свойства частицы проявляют только в достаточно интенсивных пучках (как «коллективный эффект»), но опыты по дифракции на одиночных электронах показали, что волновые свойства присущи отдельной микрочастице. Каждая микрочастица сочетает в себе свойства и частицы, и волны; однако она не ведет себя ни как волна, ни как частица. Отличие частицы от волны заключается в том, что частица всегда обнаруживается как неделимое целое. Никто никогда не наблюдал, например, пол-электрона. В то же время волну можно разделить на части и воспринимать затем каждую часть в отдельности, например, при интерференции света.
Волновые свойства вещества
Своеобразие свойств микрочастиц отчетливо обнаруживается в следующем мысленном эксперименте по дифракции электронов на двух щелях (позднее этот опыт был проведен в реальных условиях).
На преграду с двумя узкими щелями (рис. 1.2) направляется параллельный пучок моноэнергетических электронов. За преградой размещается для регистрации места попадания электронов фотопластинка ().
При открытой только первой щели распределение попаданий электронов на фотопластинку имеет вид кривой 1.
При открытой второй щели распределение имеет вид 2.
Если же открыть обе щели одновременно, то распределение попадания электронов не является простой суммой кривых 1 и 2, а отображается кривой 3.
Эта ситуация отнюдь не эквивалентна наложению первых двух. Она аналогична картине, получающейся при интерференции двух когерентных световых волн. Данная ситуация свидетельствует о том, что на движение каждого электрона влияют сразу оба отверстия. То есть электрон, каким-то непостижимым образом «знает», открыто одно отверстие или оба! Отсюда автоматически следует вывод о том, что к нему неприменимо понятие траектории (мы не можем сказать, через какую щель прошел электрон).
