Какие свойства характеризуют электрон как частицу и как волну
Если утверждение: «одновременная зависимость от скорости источника (частица) и независимость от скорости источника (волна) принципиально невозможна» вызывает у вас дислексию, то дальше можете не читать, все равно, не поймете. Когда положения корпускулярно – волнового дуализма высечены на коре полушарий головного мозга тяжелым инструментом – это трудно исправить без повреждения этой самой коры.
Если, все же, что-то отозвалось – то пойдем дальше.
Когда триста лет назад Гюйгенс обозвал свет волной, он прекрасно знал, что у света нет дифракции (затекание волны за препятствие) и даже неуклюже пытался это объяснять.
Когда Юнг ставил опыт по интерференции света на двух щелях, уже давно было известно, что экран с отверстием после протяженного источника работает как камера обскура, а не как точечный источник. А вот у Ньютона маленькой лампочки не нашлось.
Когда Гюйгенс описывал явление отражения света, прекрасно знал, что по закону «угол отражения равен углу падения» отражаются вовсе не волны. И если бы летучая мышка, заслав в стенку дома ультразвуковой сигнал под углом 45 градусов, получила бы ответ по этому закону, то влипла бы в эту стенку без сомненья. Вернее, не получила бы никакого ответа.
Убедиться, что никакие амплитуды у света не складываются очень легко. И амплитуд-то у него никаких нет. Ни у луча, ни у фотона.
У Френеля свет заранее знает какое расстояние ему придется преодолеть от источника до экрана, поэтому к преграде с отверстием собирает в максимумы и минимумы строго определенное кол-во зон. Причем с разных расстояний, но с одинаковой скоростью они приходят одновременно.
Впрочем, каждый из волновиков умудрился наделить свет разумом. Хотя бы потому, что для каждого своего проявления свет изображает разные виды волн. Для отражения – это нечто вроде «шпалы» Гюйгенса (в шпале, кстати, ничего волнового тоже нет); для интерференции – это волновой фронт по типу водяной волны; излучается свет в виде плоской синусоидальной волны; а для фотоэффекта и вовсе в частицу переквалифицируется; у Майкельсона свет круче лодочника угол опережения высчитывает. И надо заметить, он никогда не путает, когда и чего изображать – разбирается, гад, в нашей аппаратуре. Короче, не было у Гюйгенса никаких оснований называть свет волной.
Стоит добавить, что у действительно волны нет никакой постоянной Планка ни обычной, ни редуцированной (h; ħ). И энергия ее вовсе не Vh (V-частота), и от частоты не зависит, а зависит от амплитуды. Постоянная Планка появилась исключительно в теории света и, грубо говоря, это количество энергии, приходящейся на одну частотину, даже если ее и называют коэффициентом отношения энергии к частоте. И совершенно независимо от длины волны и амплитуды света – эта энергия для всех одинакова. Кстати, именно поэтому нет смысла в сложении амплитуд света – энергия все равно останется равной h. На то она и постоянная. И относится исключительно к «внутренней» энергии. То есть, никакого отношения к кинетической энергии не имеет. Поэтому при попытке найти с ее помощью длину волны де Бройля для частицы, движущейся со скоростью v, у этой частицы обнаруживается две разных длины волны, поскольку
при одинаковой длине волны:
или
или
В квантовой механике, по сути, объединяют не столько волну и корпускулу, сколько «внутреннюю» энергию и кинетическую. Поэтому для исследуемого объекта получают две скорости одновременно: скорость света (внутренняя энергия; координата), и скорость движения частицы (кинетическая; импульс).
Когда говорят, что микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату, то немного путают причину и следствие. Физики считают это причиной. На самом деле, это следствие попытки самих физиков объединить несовместимое. Не сложить внутреннюю энергию с кинетической, получив полную энергию частицы, а именно назначить их равноценными. Приравнять.
Наличие двух скоростей одновременно и приводит к такому бардаку как неизвестный импульс, или неизвестная координата. Поскольку совмещение двух скоростей все же невозможно – невозможно и одновременно измерить и импульс, и координату.
Получив, похожую на картинку света, картинку распределения электронов при интерференции, электроны тоже, без всяких оснований на то, обозвали – волной. Хотя тут уж яснее ясного, что электрон – частица. Особенно, после того как такую картинку получили от одиночных частиц при большой выдержке. Никто из вас не пробовал получить интерференцию водяных волн по частям при длительной экспозиции? Ну хотя бы, чтоб минут пять, а не сразу?
А дальше началась подгонка под волновое подобие.
Например, про фазовую скорость рассказывают:
Непосредственно из выражения
строго вытекает, что для любых частиц с любыми длинами волн, движущихся с одинаковой скоростью, фазовая скорость одна и та же. Чем меньше скорость частицы, тем больше фазовая скорость. А утверждение о том, что волны де Бройля испытывают дисперсию, и скорость этих волн зависит от длины волны – это просто «утка». Действительности оно не соответствует. В учебнике «Курс физики» Трофимовой Т.И. предлагается даже в формулу
подставить в виде энергии релятивистское выражение полной энергии частицы через импульс. Не спасает:
Если у кого-то получаются некоторые различия – попробуйте не округлять.
Может возникнуть вопрос: почему у каждой из частиц получилось по две разных фазовых скорости. Потому, что болезнь Эйнштейна, когда он не особо заморачивается на том, какую энергию использовать (и в результате, например, в фотоэффекте получает импульс фотоэлектрона гораздо больший, чем был у фотона инициатора), оказалась заразной для квантовых механиков. Взгляните еще раз на формулы фазовой скорости:
Предлагалось вместо mc^2 взять не то, чтобы релятивистскую внутреннюю энергию, а даже полную релятивистскую энергию частицы, которая несколько больше релятивистской внутренней энергии. А вот про релятивистский импульс речь не шла. Таким образом, в квантовой механике аж три вида энергии совершенно беззастенчиво между собой уравниваются: внутренняя энергия частицы; кинетическая; релятивистская полная энергия частицы.
Поскольку частицу, все же, проще зафиксировать, чем корпускулу света, то ее сложнее огульно обзывать волной (у нее, вон, траектория совершенно отчетливо в пузырьковой камере высвечивается), сначала хотели распространять волной не частицу, а «вероятность». Однако:
«Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля уже неверно хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательной, что не имеет смысла.» (Трофимова Т.И., «Курс физики», М., «Высшая школа», 1985г.)
Ну, вероятность действительно сложно распространять: она либо есть, либо ее нет, либо она больше или меньше. Практически это как распространять ум, честь, или совесть. Ну, и как второй конец у палки – тогда так же должна распространяться и «невероятность». 🙂
И тогда немецкий физик М. Борн предложил волной распространять некую величину, названную им «амплитудой вероятности», или «волновой функцией».
То есть, теперь у нас волной распространяется функция, она же амплитуда. А еще можно попробовать распространять волной уравнение, интеграл, логарифм и т.д. К функции замечательно подходят понятия: “масса функции”, “скорость функции”, или “длина волны функции”.
Ну и скажите, какое отношение распространяющаяся функция имеет к координате частицы? Конечно никакого. Вот поэтому-то, при определенном импульсе частицы координата какой-то там «амплитуды вероятности» абсолютно никакой роли играть и не может.
Итого, что мы имеем: пока электрон неподвижен – он частица (импульс равен нулю, и длины волны не насчитывается). Когда он двигается со скоростью 1м/с, он самая что ни на есть волна, с неопределенным импульсом, и фазовой скоростью 9*10^16м/с. А вот если его разогнать до околосветовой скорости, то длина волны уменьшится, фазовая скорость будет чуть больше, чем с, и проявляться он начнет больше как частица, а не как волна ( поскольку, чем меньше длина волны – тем частица больше частица). Впрочем, это же не про частицу, а про функцию, так что – не страшно.
Как же, все же, сложно вылепить из частицы волну….
Источник
Íà ãëàâíóþ
ÃËÀÂÀ ÒÐÈÍÀÄÖÀÒÀß
ÂÏÅÐÅÄÈ ÅÙÅ ÌÍÎÃÎ ÎÒÊÐÛÒÈÉ
Óñïåõè ýëåêòðîííîé òåîðèè
Îòêðûòèå ýëåêòðîíà è îáîáùåíèå ñâåäåíèé, íàêîïëåííûõ î íåì íàóêîé, çàñòàâèëè ó÷åíûõ ðàññìàòðèâàòü âî âçàèìíîé ñâÿçè è îòäåëüíûå ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû, è ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ, îêðóæàþùèå çàðÿäû.
Ïîñòåïåííî âîçâîäèëîñü çäàíèå ýëåêòðîííîé òåîðèè, óñòàíîâèâøåé, ÷òî çàðÿä è ýëåêòðîìàãíèòíîå ïîëå îðãàíè÷åñêè ñâÿçàíû äðóã ñ äðóãîì, çàâèñÿò äðóã îò äðóãà, îáóñëîâëèâàþò äðóã äðóãà.
Çàðÿä âñåãäà ñîçäàåò âîêðóã ñåáÿ ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå. Êîãäà çàðÿä äâèæåòñÿ, îí ñîçäàåò, êðîìå òîãî, è ìàãíèòíîå ïîëå.
Âíåøíåå ýëåêòðè÷åñêîå èëè ìàãíèòíîå ïîëå íàïðàâëÿåò äâèæåíèå ýëåêòðîíà è èçìåíÿåò åãî ñêîðîñòü. Îíî ìîæåò óâåëè÷èâàòü è óìåíüøàòü ýíåðãèþ ýëåêòðîíà.
Ïðè òîðìîæåíèè ýëåêòðîíû èçëó÷àþò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ýíåðãèþ â âèäå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí è, íàîáîðîò, ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû ìîãóò îòäàâàòü ñâîþ ýíåðãèþ ýëåêòðîíó.
 èòîãå ïî÷òè 50 – ëåòíèõ èñêàíèé ìû óçíàëè, ÷òî ýëåêòðîíû îáðàçóþò îáîëî÷êó àòîìà, ðàñïîëàãàÿñü â íåé íà îïðåäåëåííûõ óðîâíÿõ.
Çàðÿä ýëåêòðîíà ðàâåí 1,6 · 10-19 êóëîíà.
Ìàññà ýëåêòðîíà ñîñòàâëÿåò 9,1 · 10-28 ãðàììà.
Ýëåêòðîí â 1836,6 ðàçà ëåã÷å ïðîòîíà ÿäðà âîäîðîäíîãî àòîìà.
Ýëåêòðîí â íåâîçáóæäåííîì âîäîðîäíîì àòîìå íàõîäèòñÿ îò ÿäðà íà ðàññòîÿíèè â 0,529 · 10-8 ñàíòèìåòðà.
Ýëåêòðîííàÿ òåîðèÿ îáúÿñíèëà è ñâÿçàëà âîåäèíî ðàçíîîáðàçíåéøèå ïðîÿâëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè, îñâåòèëà ïóòü ïðàêòè÷åñêîé ýëåêòðîíèêå.
Õîòÿ óâèäåòü ýëåêòðîí åùå íåâîçìîæíî, íî óæå óäàåòñÿ âèäåòü ñëåä åãî â íàñûùåííîì âîäÿíîì ïàðå, öåïî÷êó ìàëåíüêèõ âîäÿíûõ êàïåëåê, ïðåêðàñíî ðàçëè÷èìûõ ïðè ÿðêîì îñâåùåíèè.
Íà ðèñóíêå 116 ïðåäñòàâëåíû ñôîòîãðàôèðîâàííûå ñëåäû òîãî, êàê áûñòðàÿ ÷àñòèöà À â ìàãíèòíîì ïîëå, ñòîëêíóâøèñü ñ àòîìîì, âûáèëà èç íåãî ýëåêòðîí Á, äâèæóùèéñÿ ñî çíà÷èòåëüíî ìåíüøåé ñêîðîñòüþ è ïîòîìó èñêðèâèâøèé ñâîé ïóòü ïîä äåéñòâèåì ìàãíèòíîé ñèëû, à ñàìà ïðîëåòåëà äàëüøå. Ñêîðîñòü À áûëà ñòîëü âåëèêà, ÷òî ìàãíèòíîå ïîëå ìîãëî ëèøü åäâà-åäâà èñêðèâèòü åå òðàåêòîðèþ.
Ýëåêòðîíèêà ñòàëà îäíîé èç òåõ «âîëøåáíûõ ïàëî÷åê», ñ ïîìîùüþ êîòîðûõ ÷åëîâåê òâîðèò ÷óäåñà, îñòàâëÿþùèå äàëåêî ïîçàäè âûìûñåë ñêàçîê.
Áîãàòàÿ ôàíòàçèÿ ðóññêîãî íàðîäà, ïðîíèêíóòàÿ ãëóáîêîé âåðîé âî âñåìîãóùåñòâî òâîð÷åñêîãî ãåíèÿ ÷åëîâåêà, ïîçâîëÿëà ãåðîÿì íàøèõ ñêàçîê ëåòàòü íà êîâðå-ñàìîëåòå, ðàçãóëèâàòü â ñåìèìèëüíûõ ñàïîãàõ, ñëóøàòü, êàê ðàñòåò òðàâà è ïåðåøåïòûâàþòñÿ çâåçäû…
 íàøè äíè, áëàãîäàðÿ çàìå÷àòåëüíûì óñïåõàì íàóêè è ïîáåäàì ÷åëîâåêà íàä ïðèðîäîé, ñêàçêè ñòàíîâÿòñÿ áûëüþ. Ó íàñ åñòü òåïåðü è êîâåð-ñàìîëåò, è ñåìèìèëüíûå ñàïîãè æåëåçíûå äîðîãè, è ïîñëóøíûé âåòåðîê ðàäèîñâÿçü, è âîëøåáíîå çåðêàëüöå òåëåâèçîðû, è ÷óäî-îãîíåê ëþìèíåñöåíòíàÿ ëàìïà.
Ãåíèàëüíîå ïðåäâèäåíèå Â. È. Ëåíèíà
Ïîä âëèÿíèåì óñïåõîâ ýëåêòðîííîé òåîðèè íåêîòîðûì ó÷åíûì, íå îòðåøèâøèìñÿ åùå îò ñâîèõ èäåàëèñòè÷åñêèõ âîççðåíèé, ñòàëî êàçàòüñÿ, ÷òî íàóêà óæå äîñòèãëà ñâîåãî ïðåäåëà.
Ó íåêîòîðûõ ôèçèêîâ ñëîæèëîñü ïðåäñòàâëåíèå, ÷òî ýëåêòðîí áóäòî áû ÿâëÿåòñÿ íàèïðîñòåéøèì ýëåìåíòîì ìèðîçäàíèÿ, âñå ñâîéñòâà êîòîðîãî èñ÷åðïûâàþòñÿ åãî ìàññîé è çàðÿäîì.
 1908 ãîäó, òî åñòü íà çàðå ñîâðåìåííûõ ïðåäñòàâëåíèé îá ýëåêòðîíå è àòîìå, êîãäà ýëåêòðîííàÿ òåîðèÿ òîëüêî äåëàëà ñâîè ïåðâûå øàãè, Âëàäèìèð Èëüè÷ Ëåíèí â ñâîåì ãåíèàëüíîì ïðîèçâåäåíèè «Ìàòåðèàëèçì è ýìïèðèîêðèòèöèçì» áåñïîùàäíî ðàçîáëà÷èë ôèçèêîâ-èäåàëèñòîâ, èçâðàùàâøèõ íàóêó. Îí óêàçàë íà ðåàêöèîííîñòü óòâåðæäåíèé òåõ «ó÷åíûõ», êîòîðûå âîîáðàçèëè, ÷òî, óãëóáëÿÿñü â íåäðà âåùåñòâà, îíè óæå «äîøëè äî ïðåäåëà ïðèðîäû». Â. È. Ëåíèí ïèñàë: «… åñëè â÷åðà ýòî óãëóáëåíèå íå øëî äàëüøå àòîìà, ñåãîäíÿ äàëüøå ýëåêòðîíà è ýôèðà, òî äèàëåêòè÷åñêèé ìàòåðèàëèçì íàñòàèâàåò íà âðåìåííîì, îòíîñèòåëüíîì, ïðèáëèçèòåëüíîì õàðàêòåðå âñåõ ýòèõ âåõ ïîçíàíèÿ ïðèðîäû ïðîãðåññèðóþùåé íàóêîé ÷åëîâåêà. Ýëåêòðîí òàê æå íåèñ÷åðïàåì, êàê è àòîì, ïðèðîäà áåñêîíå÷íà. ..» (Â. È. Ëåíèí, Ñî÷., ò. 14, ñòð. 249.)
Ãåíèàëüíîå ïðåäâèäåíèå Â. È. Ëåíèíà ïîäòâåðäèëîñü âñåì õîäîì ðàçâèòèÿ íàóêè. Ó÷åíûå âñëåä çà îòêðûòèåì ýëåêòðîíà óñòàíîâèëè åãî ìåñòî â àòîìå, îòêðûëè ñóùåñòâîâàíèå ÿäðà àòîìà è äðóãèõ ïðîñòåéøèõ ÷àñòèö.
 ñâåòå íîâûõ ôàêòîâ ýëåêòðîííàÿ òåîðèÿ ïðåòåðïåâàëà ñåðüåçíûå èçìåíåíèÿ.  íåé îáíàðóæèëèñü ãëóáîêèå ïðîòèâîðå÷èÿ, êîòîðûå îäíî âðåìÿ äàæå êàçàëèñü íåðàçðåøèìûìè. Ñîçäàòåëü ýëåêòðîííîé òåîðèè ôèçèê Ëîðåíö îäíàæäû âûðàçèë ñîæàëåíèå, ÷òî îí íå óìåð ðàíüøå, ÷åì îáíàðóæèëèñü ýòè ïðîòèâîðå÷èÿ.
Ýëåêòðîí íå óêëàäûâàëñÿ â ðàìêè ïåðâîíà÷àëüíûõ óïðîùåííûõ ïðåäñòàâëåíèé î íåì. Òàê, íàïðèìåð, îïûòû íåîïðîâåðæèìî äîêàçûâàëè, ÷òî äâà ýëåêòðîíà, íàõîäÿùèåñÿ â àòîìå íà îäíîì è òîì æå ýíåðãåòè÷åñêîì óðîâíå, âñå æå ÷åì-òî îòëè÷àþòñÿ îäèí îò äðóãîãî.
Ïðèáëèçèòüñÿ ê îáúÿñíåíèþ ýòîãî ðàçëè÷èÿ â äâèæåíèè ýëåêòðîíîâ ôèçèêå ïîìîãëà àñòðîíîìèÿ. Âåäü ïëàíåòû íå òîëüêî îáðàùàþòñÿ âîêðóã Ñîëíöà, îíè îäíîâðåìåííî âðàùàþòñÿ âîêðóã ñâîèõ îñåé. Ìîæåò áûòü, è ýëåêòðîíû âåðòÿòñÿ, êàê âîë÷êè?
Ìíîãèå íàáëþäåíèÿ õîðîøî îáúÿñíÿþòñÿ òàêèì äîïóùåíèåì. Îäíàêî ïðîòèâ íåãî åñòü è ñåðüåçíûå âîçðàæåíèÿ.
Çàòî ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ýëåêòðîíà äîêàçàíû íåñîìíåííî. Ýëåêòðîí èìååò ìàãíèòíóþ îñü, îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìàëåíüêèé ìàãíèòèê; ýòî äîêàçàíî ïðÿìûìè îïûòàìè.
Íå òàê-òî îêàçûâàåòñÿ ïðîñòà ýòà «ïðîñòåéøàÿ ÷àñòèöà», è ìíîãî çàäà÷ çàäàåò îíà ó÷åíûì, ìíîãî çàäà÷ çàäàñò è â áóäóùåì.
Ýëåêòðîí è âîëíà è ÷àñòèöà
 òå æå ãîäû, òî åñòü â ïåðâîé ÷åòâåðòè XX âåêà, çàðîäèëàñü ìûñëü, ÷òî ýëåêòðîíû íå âñåãäà âåäóò ñåáÿ êàê ÷àñòèöû âåùåñòâà. Èíîãäà îíè îáíàðóæèâàþò âîëíîâûå ñâîéñòâà, êîòîðûå ðîäíÿò áûñòðîëåòÿùèå ýëåêòðîíû ñî ñâåòîâûì ëó÷îì.
×òîáû ïðîâåðèòü ýòî ïðåäïîëîæåíèå, â 1926 ãîäó ïîâòîðèëè îïûò ñ ïðîñâå÷èâàíèåì êðèñòàëëè÷åñêîãî âåùåñòâà, òîëüêî âìåñòî ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, êàêèå îáû÷íî ïðèìåíÿþò äëÿ ýòîé öåëè, óïîòðåáèëè ýëåêòðîííûé ëó÷, òî åñòü çàìåíèëè ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è ïîòîêîì ýëåêòðîíîâ è ïîñìîòðåëè, ÷òî ïîëó÷èòñÿ îò òàêîé çàìåíû (ðèñ. 117).
Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, ïðîõîäÿ ñêâîçü ëèñòîê ìåòàëëà, êîòîðûé ñîñòîèò èç ìíîæåñòâà ìåëêèõ êðèñòàëëèêîâ, äàþò íà ôîòîãðàôè÷åñêîé ïëàñòèíêå ñâîåîáðàçíûé ðèñóíîê: â öåíòðå ïîÿâëÿåòñÿ êðóãëîå ïÿòíî, îòïå÷àòàííîå òåìè ëó÷àìè, êàêèå ïðîøëè ñêâîçü êðèñòàëë áåç ðàññåÿíèÿ, à âîêðóã ýòîãî öåíòðàëüíîãî ïÿòíà âûðèñîâûâàþòñÿ êîíöåíòðè÷åñêèå êðóãè, êîòîðûå äåëàþò ôîòîñíèìîê ïîõîæèì íà ñòðåëêîâóþ ìèøåíü èëè íà âèä ëóíû, êîãäà îíà ñâåòèò ñêâîçü òîíêèå îáëàêà.
Ýòè êîëüöà äàþò âîçìîæíîñòü ñóäèòü î âíóòðåííåì ñòðîåíèè âåùåñòâà, ñêâîçü êîòîðîå ïðîøëè ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è.
È ýòè æå êîëüöà íåîïðîâåðæèìî äîêàçûâàþò êîëåáàòåëüíóþ, âîëíîâóþ ïðèðîäó ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, ïîçâîëÿþò îïðåäåëèòü äëèíó âîëíû èññëåäóåìûõ ëó÷åé: ïðîõîäÿ ñêâîçü îäíó è òó æå ïëàñòèíêó, ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è ðàçíîé äëèíû âîëíû äàþò êîëüöà ðàçëè÷íîãî äèàìåòðà.
Âåëèêî æå áûëî óäèâëåíèå ó÷åíûõ, êîãäà ýëåêòðîííûé ëó÷, òî åñòü ïîòîê áûñòðî ëåòÿùèõ ÷àñòèö, ïðîéäÿ ñêâîçü òîí÷àéøèé ìåòàëëè÷åñêèé ëèñòîê, òîæå îòïå÷àòàë íà ôîòîãðàôè÷åñêîé ïëàñòèíêå êîíöåíòðè÷åñêèå êîëüöà. Ïîòîê ýëåêòðîíîâ â ýòîì îïûòå âåë ñåáÿ òàê æå, êàê ðåíòãåíîâñêèé ëó÷ îïðåäåëåííîé äëèíû âîëíû (ðèñ. 118).
Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ïîòîê ýëåêòðîíîâ äåéñòâèòåëüíî îáëàäàåò âñåìè îñîáåííîñòÿìè ëó÷à ñ î÷åíü ìàëîé äëèíîé âîëíû.
Ýòî îòêðûòèå ñðàçó æå ïðèîáðåëî ïðàêòè÷åñêîå çíà÷åíèå, îíî ïîçâîëèëî ïðèìåíèòü ýëåêòðîíû äëÿ èññëåäîâàíèÿ ñòðîåíèÿ âåùåñòâà. Áûëè ïîñòðîåíû ïðèáîðû çëåêòðîíîãðàôû, êîòîðûå â ðÿäå ñëó÷àåâ äàþò ëó÷øèå ðåçóëüòàòû, ÷åì ðåíòãåíîâñêèå àïïàðàòû.
Èìåííî ñ ïîìîùüþ çëåêòðîíîãðàôîâ õèìèêè óáåäèëèñü, ÷òî ìîëåêóëû øåðñòè, øåëêà, öåëëþëîçû, äðåâåñèíû, èñêóññòâåííîãî âîëîêíà è ìíîãèõ ïëàñòìàññ èìåþò ôîðìó íèòåé èëè öåïî÷åê, ñîñòîÿùèõ èç îòäåëüíûõ çâåíüåâ.
Источник
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
38. ЭЛЕКТРОН КАК ВОЛНА
ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ
Бор опубликовал свои результаты в 1913 г. Для мира физики они стали одновременно и сенсацией, и загадкой. Но Англия, Германия и Франция — эти три колыбели новой физики — были вскоре захвачены другой проблемой. Эйнштейн заканчивал работу над созданием новой теории тяготения (одно из следствий ее было проверено в 1919 г. во время международной экспедиции, участники которой измерили отклонение луча света, идущего от звезды, при прохождении его вблизи Солнца во время затмения). Несмотря на огромный успех теории Бора, объяснившей спектр излучениям другие свойства атома водорода, попытки обобщить ее на атом гелия и атомы других элементов оказались мало успешными. И хотя накапливалось все больше сведений о корпускулярном поведении света при его взаимодействии с веществом, очевидная несогласованность постулатов Бора (загадка атома Бора) оставалась необъясненной.
В двадцатые годы возникло несколько направлений исследований, которые привели к созданию так называемой квантовой теории. Хотя эти направления казались вначале совершенно не связанными между собой, позднее (в 1930 г.) было показано, что все они эквивалентны и являются просто различными формулировками одной и той же идеи, Проследим за одной из них.
В 1923 г. Луи де Бройль, тогда еще аспирант, выдвинул предположение, что частицы (например, электроны) должны обладать волновыми свойствами. «Мне кажется, — писал он, — … что основная идея квантовой теории состоит в невозможности представить отдельную порцию энергии, не связав с нею определенной частоты».
Объекты волновой природы обнаруживают свойства частиц (например, свет при его излучении или поглощении ведет себя подобно частице). Это было показано Планком и Эйнштейном и использовано Бором в его модели атома. Почему же тогда объекты, которые мы обычно рассматриваем как частицы (скажем, электроны), не могут обнаруживать свойства волн? Действительно, почему? Такая симметрия между волной и частицей была для де Бройля тем же, чем были круговые орбиты для Платона, гармоничные соотношения между целыми числами для Пифагора, правильные геометрические формы для Кеплера или солнечная система, центром которой является светило, для Коперника.
Каковы же эти волновые свойства? Де Бройль предложил следующее, Было известно, что фотон излучается и поглощается в виде
дискретных порций, энергия которых связана с частотой формулой
В то же время соотношение между энергией и импульсом релятивистского кванта света (частицы с нулевой массой покоя) имеет вид
Вместе эти соотношения дают
Но
Отсюда де Бройль получил связь между длиной волны и импульсом:
для объекта волнового типа — фотона, который, судя по наблюдениям, излучался и поглощался в виде определенных порций.
Далее де Бройль предположил, что со всеми объектами независимо от того, какого они типа — волнового или корпускулярного, связана определенная длина волны, выражающаяся через их импульс точно такой же формулой. Электрону, например, и вообще любой частице соответствует волна, длина волны которой равна
Что это за волна, де Бройль в то время еще не знал. Однако, если предположить, что электрон в некотором смысле обладает какой-то длиной волны, то мы получим из этого предположения определенные следствия.
Рассмотрим квантовые условия Бора для стационарных орбит электрона. Допустим, что стабильные орбиты таковы, что на их длине укладывается целое число длин волн, т. е. выполняются условия существования стоячих волн. Стоячие волны, будь они на струне или в атоме, неподвижны и сохраняют свою форму со временем. При заданных размерах колеблющейся системы они обладают лишь определенными длинами волн (фото 7).
Предположим, говорил де Бройль, что разрешенными орбитами в атоме водорода являются только те, для которых выполнены условия существования стоячих волн. Для этого на длине орбиты должно укладываться целое число длин волн (фиг. 89), т. е.
Но связанная с электроном длина волны выражается через его импульс по формуле:
Тогда выражение (38.7) можно записать в виде
или
В результате получается условие квантования Бора. Таким образом, если с электроном связать определенную длину волны, то боровское условие квантования означает, что орбита электрона устойчива, когда на ее длине укладывается целое число стоячих волн.
Фиг. 89,
Иными словами, квантовое условие становится теперь не особым свойством атома, а свойством самого электрона (и в конце концов, всех остальных частиц).
Источник