<<
>>

Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов

  Итак, мы уяснили, что свет представляет собой одновременно частицу и волну. В 1924 году французский ученый Шарль де Бройль распространил принцип квантово-волнового дуализма на все микрообъекты природы.
Согласно де Бройлю, каждой частице следует поставить в соответствие волну, длина которой

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

и              1 Г              и              и

связана с импульсом этой частицы. По де Броилевскои гипотезе о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, не только фотоны, но и все частицы вообще (электроны, протоны и т.д.) наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами. Последние, в свою очередь, должны проявляться в явлениях дифракции и интерференции частиц.

Когда мы изучаем свет, сначала бросаются в глаза его волновые свойства, а при более пристальном рассмотрении — корпускулярные. При изучении же частиц наблюдается обратная картина.

В соответствии с известным соотношением Эйнштейна, фотону с энергией E=hv, соответствует энергия.

Здесь с - скорость света; m - масса фотона; v - его частота.

Отсюда:


Учитывая, что импульс фотона p=mc, а частота света связана с длиной волны l соотношением:получим:


Данное уравнение является замечательной иллюстрацией двойственной природы света, поскольку объединяет длину волны светасвязанную с его волновой природой, и импульс фотона р, характеризующий его как частицу.

Заслуга де Бройля состоит в том, что он распространил данную формулу на все частицы материи, придав ей универсальное значение.


где p=mv - импульс частицы, m - масса частицы, v - ее скорость.

Гипотеза де Бройля впоследствии была подтверждена экспериментально. В частности, в опыте американских физиков К. Дэвидсона и Л. Джермера в 1927 году обнаружена дифракция элементарных частиц — электронов. Для этого они использова

ли всем хорошо известную электронно-лучевую трубку, применяющуюся в телевизорах, дисплеях и осциллографах.

В этих трубках (или электронных пушках) электронные пучки, генерируемые катодом и управляемые электромагнитным полем, направляются в сторону экрана, покрытого люминофором. При попадании частицы в экран на нем возникает светящееся пятнышко. Так вот, на пути от источника к экрану электроны ведут себя как классические частицы, и их движение можно рассчитать средствами классической физики. Однако если на пути летящих в трубке электронов поставить экран со щелью, то после прохождения их через эту щель на экране наблюдается чередование темных и светлых полос, аналогичное дифракционной картине световых волн. Значит, электроны способны к дифракции, то есть ведут себя подобно волнам!

Позднее советский ученый Тартаковский доказал, что волновые свойства присущи не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности. А в 1999 году обнаружена интерференция фуллеренов и биомолекул.

В таблице приведены и другие эксперименты, свидетельствующие как о волновых, так и о корпускулярных свойствах электрона:

Исследуемое явление

Волновая

теория

Корпускулярная

теория

Дифракция

+

Отражение

+

+

Преломление

+

+

Интерференция

+

Фотоэффект

+

Табл 2.

Эксперименты, свидетельствующие о волновых и корпускулярных свойствах электрона

Человеку, привыкшему к законам макромира, бывает трудно представить волновую природу электрона или другой частицы. Нам удобнее представлять себе электрон в виде воображаемого шарика в миниатюрной солнечной системе. Тем не менее, это представление годится только для первоначального знакомства с понятием межатомных взаимодействий, но не подходит для дальнейшего изучения квантовой механики. Поэтому к атому нужно подходить скорее как к странному музыкальному инструменту — аналогу звукового резонатора, — в котором вместо звуковых волн мы имеем волны электронные.

Такое сравнение помогает понять суть квантования орбит. Известно, что натянутые струны рояля как простейшие резонаторы могут колебаться только с определенной частотой. Поэтому, говоря об электронных орбитах, следует иметь в виду различные частоты колебаний. Меняя частоту, электрон излучает световую волну, частота которой тем выше, чем больше разница частот электрона, между которыми произошел переход.

Приведем еще одну аналогию, которая поможет облегчить понимание волновой природы электрона. Вообразите серию волн, набегающих на пологий берег. Они имеют вполне определенную скорость, и ее можно вычислить, зная время и расстояние между двумя соседними гребнями. Волна, однако, не особенно локализована, она занимает большое пространство. Электрон, скорость которого известна (в отличие от положения, которое мы смутно представляем), можно представить в виде такой волны.

Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу частицы. Фактически это означает, что для больших тяжелых частиц длина волны очень мала, и волновые свойства таких частиц заметить практически невозможно. Это касается всех макрообъектов, для более-менее точного описания которых вполне хватает классической механики.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов:

  1. Оборудование нанотехнологии
  2. Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов