Волны де Бройля. Волновые свойства

Волновые свойства

Волны де Бройля. Экспериментальное подтверждение волновых свойств корпускул.

В 1924 году французский философ Луи де-Бройль (L. de - Broglie) выразил предположение (гипотезу) о полной симметрии естественных объектов. Эта гипотеза, в частности предусматривала, что корпускулярно-волновой дуализм является ровно присущим как излучению так и микрочастицам, то есть всем формам материи. Де-Бройль доказывал наличие определенных волновых свойств у электронов, протонов, нейтронов и вообще у всех микрочастиц и даже макротел. Более того, де-Бройль допустил, что соотношение корпускулярных и волновых свойств для частиц является таким же как и для фотонов. Длина волны де-Бройля тем меньшая, чем больше является масса и скорость частицы (то есть чем больше является импульс).

Сделаем определенные оценки порядка величины для длины волны де-Бройля : например, для макрочастицы массой кг и скоростью 10 м/с длина волны де-Бройля чрезвычайно имела: м, который лежит далеко за пределами экспериментального наблюдения. Особенно если вспомнить, что атомное ядро имеет размеры порядка м, тогда становится понятным, что даже на объекте такого размера мы не сможем наблюдать дифракцию нашей частицы-волны, потому что дифракция требует выполнения условия.

Однако, другие выводы можно сделать относительно микрочастиц. Например, при массе электрона кг, и скоростях порядка м/с, что отвечает энергия от 1 еВ. до 10.000 еВ, то есть легко досягаемым экспериментально, длина волны де-Бройля лежит в пределах м, который уже является соизмеримым, например, с постоянными кристаллической решетки большинства кристаллов.

Выполнение условия дифракции для длины волн де-Бройля электронов и межатомного расстояния в кристаллах, подало американским экспериментаторам Девиссону и Джермеру идею применить кристаллы как трехмерную дифракционную решетку для потоков разогнанных электронов. Дифракционная картина фиксировалась на специальной фотопленке. Опыт Девиссона и Джермера прямо подтвердил выводы де-Бройля о волновых свойствах микрочастиц.

Позже оказалось, что не только поток электронов, но также потоки нейтронов, протонов и даже атомов водорода дифрагировали на кристаллах, как на дифракционной решетке. В полном соответствии с законами этого волнового явления. В настоящее время волновые свойства микрочастиц не только надежно доказаны экспериментально, но уже давно используются в оборудовании с высокой различительной способностью: электронных микроскопах, нейтронографии, ионной спектроскопии, и тому подобное.

Приведенный снимок воссоздает электронную волну на поверхности медного кристаллу, которая имеет рассеяние на дефекте размерами лишь в два атома (две лунки на изображении). Стоячая волна электронной плотности, заметная на изображении, образовалась в результате интерференции фотонов и рассеянных электронных волн. Изображение получено в лаборатории компании IBM (author Don Eagler), методом сканирующей тоннельной микроскопии (STM).

Дуализм света, или шире, дуализм электромагнитного излучения типа волна-частица, тем заметнее, чем больше является частота и короче является длина волны. Поэтому для длинноволнового излучения (радиоволн, например) корпускулярные свойства практически незаметны. В то же время для высокочастотных, коротковолновых рентгеновских лучей, квантовые, корпускулярные свойства, напротив, чрезвычайно ярко выраженные.

Если рассматривать дуализм частица-волна, то стоит заметить, что волновые свойства являются практически незаметными для массивных макротел. В то же время волновые свойства есть тем заметнее, чем меньшей является масса частицы. В микромире для микрочастиц уже невозможно пренебрегать их квантовыми, волновыми свойствами. В частности, волновые свойства микрочастиц мешают определять их траектории: волна-частица не имеет в пространстве фиксированной координаты, не является сурово локализованной. Понятие траектории теряет содержание в микромире. Электростатика и ее свойства.

Волновые свойства микрочастиц требуют другого способа описания их движения, отличающегося от классической механики макротел.