Корпускулярно-волновой дуализм свойств материи

Впервые с проблемой двойственности природы материального объекта, волновой и корпускулярной, столкнулись при объяснении природы электромагнитного излучения. Как было показано раньше, существовал ряд экспериментов, которые хорошо объяснимы с позиций волновой природы электромагнитного излучения (например, интерференция и дифракция света). С другой стороны, существовали экспериментальные факты, объяснимые только с позиций корпускулярной природы света (фотоэффект, процессы излучения света нагретыми телами, Комптон-эффект). Так все же фотон – волна или частица?

Скорее всего, сущность этой проблемы связана с ограниченностью наших жизненных представлений. Мы живем в макромире, где только по отдельности встречаются процессы, имеющие корпускулярную и волновую природу. Нигде в повседневной жизни мы не встречаемся с движением, которое было бы результатом наложения этих двух форм, но это не значит, что его не существует. Из этой дилеммы возник совершенно новый подход к описанию физических и химических процессов микромира.

В 1924 г. Луи де Бройль (de Broglie) выдвинул гипотезу о том, что корпускулярно-волновой дуализм свойствен не только электромагнитному излучению, а является общим свойством материи. При этом он ввел понятие о волнах материи. Так, любому материальному объекту, обладающему массой m и движущемуся со скоростью v, соответствует волновой процесс с длиной волны l. По аналогии с электромагнитным излучением, где l= h / p, длина волны частицы (часто называется длиной волны де Бройля) вычисляется по уравнению

.

Экспериментальное подтверждение волновых свойств электрона было получено в 1927 г. Девидсоном и Джермером и независимо от них Томсоном и Рейдом в опытах по рассеянию пучка электронов металлической фольгой.

Электроны, испускаемые нагретым катодом, разгоняются в электрическом поле напряжением» 100 В и приобретают кинетическую энергию» 100 эВ. При этом в случае, если формула де Бройля верна, электронам должна соответствовать длина волны . Если , то . При E _к = 100 эВ (1 эВ=1, 602× 10^-19 Дж), l = 1, 2 Å.

Если электроны обладают волновыми свойствами, то их пучок должен испытывать дифракцию на дифракционной решетке, постоянная которой a соизмерима с длиной волны электрона (a - постоянная решетки - сумма ширины щели и ширины промежутка между щелями). Так как длина волны электрона мала (l=1.2 Å), то роль дифракционной решетки, у которой a» l, могут играть кристаллические плоскости монокристаллов. В частности, была использована металлическая фольга (никель). Причем положение дифракционных полос должно определяться условием Вульфа-Брэгга: n × l = 2× a× sinJ (n - номер дифракционной полосы; l - длина волны электрона; a - постоянная дифракционной решетки; J - угол, под которым пучок электронов попадает на дифракционную решетку).

Действительно, при пропускании пучка электронов через металлическую фольгу была получена дифракционная картина в виде концентрических колец, положение которых изменялось в зависимости от кинетической энергии электронов (ускоряющего напряжения) – их длины волны, согласно условию Вульфа-Брэгга (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схема опыта дифракции электронов: U (В) – напряжение ускоряющего электрического поля

Позднее наблюдали дифракцию и более тяжелых частиц, например протонов, нейтронов, атомов гелия.

Можно предположить, что и движению макрообъекта соответствует также волновой процесс. Движению тела массой m = 1 г со скоростью v = 1 см/с соответствует волновой процесс с длиной волны l=6, 6× 10^-29 м. Нет таких дифракционных решеток, чтобы наблюдать этот процесс.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств электрона, как и других микрообъектов, является первым фундаментальным положением, на котором строится волновая механика – механика, применимая для описания объектов атомных и субатомных размеров.