Свет долгое время оставался одним из главных объектов изучения. Многие учёные стремились познать его природу, но сделать это было сложно из-за ограниченных возможностей. Самой первой теорией, пытавшейся объяснить природу света, была волновая теория. Она долгое время считалась правильной и верной, и не было никаких предпосылок, чтобы сформировался корпускулярно-волновой дуализм. В то время в физике бытовало мнение, что свет по своей природе - волна, а атомы и другие мелкие частицы обладали только корпускулярными свойствами.

Теория начинала рушиться, потому что не удавалось объяснить Резерфорд в результате своих опытов сделал предположение, что ядро атома находится в центре, там же сосредоточена основная масса, а электроны распределяются по всему объему, свободно заполняя пространство. Но теория не нашла подтверждения, потому что согласно расчётам, подобная система не могла быть устойчивой.

Предпосылки формирования новой теории

Позже было открыто явление фотоэффекта, который выходил за рамки классической физики, которая главенствовала в то время. Впоследствии именно фотоэффект помог сформировать корпускулярно-волновой дуализм, потому что это привело к необходимости создания Её особенностью стало то, что частицы получали свойства, которые были невозможны бы, если рассматривать их в свете принципов физики классической. Корпускулярно-волновой дуализм стал одной из первых теорий, изучаемых в новом

Суть фотоэффекта заключалась в том, что обычные вещества под воздействием коротковолнового излучения испускают быстрые электроны. Главным расхождением с классической физикой стал тот факт, что энергия испускаемых быстрых электронов не зависела от интенсивности излучения. Значения имело только свойства самого вещества, а также частота излучения. На тот момент не удавалось объяснить механизмы высвобождения фотоэлектронов на основе имеющихся данных.

Волновая теория представлялась стройной и неоспоримой. Согласно ей, энергия излучения равномерно распространялась в световой волне. Когда она попадает на электрон, она сообщает ему определённое количество энергии, соответственно, согласно этой теории, чем выше интенсивность, тем больше энергия. Однако на деле выходило всё несколько иначе.

Развитие идеи дуализма

Альберт Эйнштейн начал высказывать идеи о дискретной природе света. Также начали развиваться квантовая теория поля и концепции квантовых полей, которые помогли сформировать корпускулярно-волновой дуализм.

Суть заключается в том, что на свет могут воздействовать следовательно, он имеет физические свойства потока частиц - фотонов. Но при этом в таких явлениях, как дифракция и демонстрирует явные свойства волны. Был проведён ряд опытов, доказывающих двойственность структуры света. Именно на их основе был построен корпускулярно-волновой дуализм света, т.е. фотон проявляет корпускулярные свойства, но в ряде экспериментов он имел чёткие проявление волновых свойств.

Нужно понимать, что подобные идеи на данный момент представляют лишь исторический интерес. Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества сформировался как теория в период, когда изучение подобных свойств только начиналось, тогда же были фактически основаны новые разделы физики. Подобная теория была попыткой объяснить новые явления языком классической физики.

На самом деле, с точки зрения квантовой физики подобные объекты не являются частицами, по крайне мере, в классическом понимании. Они приобретают определённые свойства лишь при приближении. Впрочем, теория дуализма по-прежнему используется для объяснения определённых принципов природы света.

В настоящей статье на основе физической сущности постоянной Планка показано, что гипотеза Л. Де Бройля о всеобщем характере корпускулярно-волнового дуализма не корректна и не имеет ни теоретического, ни экспериментального подтверждения.

“…трудности и проблемы, которые возникают в связи с квантовыми явлениями, являются чисто физическими и решаться должны путем углубления научных представлений, без всякого ухода в сторону с помощью гносеологических или мистических измышлений.”

Мифология квантовой физики. Л. Регельсон.

Введение. Согласно современным представлениям : корпускулярно-волновой дуализм — важнейшее универсальное свойство природы, заключающееся в том, что всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные и волновые характеристики. Так, например электрон, нейтрон, фотон в одних условиях проявляются как частицы, движущиеся по классическим траекториям и обладающие определенной энергией и импульсом, а в других — обнаруживают свою волновую природу, характерную для явлений интерференции и дифракции частиц. В качестве первичного принципа корпускулярно—волновой дуализм лежит в основе квантовой механики и квантовой теории поля.

В современном научном представлении прочно утвердилось мнение, что одной из главных особенностей квантовой физики является наличие в ней корпускулярно-волнового дуализма. Например:

“Концепция корпускулярно-волнового дуализма является одним из базовых понятий современной квантовой теории.”

“Важным этапом в становлении современного понимания структуры материи стала выдвинутая де Бройлем в 1924 г. гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма.”

“Из всего предшествовавшего мы делаем вывод, что микроскопические объекты обладают чрезвычайно общим свойством обнаруживать себя в двух на первый взгляд несовместимых аспектах: с одной стороны, как суперпозиция волн, с другой – как частица, т. е. локализованная порция энергии и импульса.”

“Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества, находящегося как в форме излучения, так и в форме частиц с массой покоя, не равной нулю, является важнейшей характеристикой вещества, лежащей в основе различных фундаментальных закономерностей, характеризующих микромир.”

В начале ХХ века были сделаны ряд важнейших открытий (фотоэффект, эффект Комптона, дифракция электронов и т. п.), которые создали видимость того, что элементарные частицы вещества, в частности электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путем было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля – свойства корпускул. Это получило название дуализма волны и частицы и было представлением, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла .

“Противоречие между понятиями пространственно протяженного поля и пространственно локализованной частицы оказалось настолько глубоким, что возникла целая философская школа, которая вообще отказалась от классического способа описания физического объекта как реальности в пространстве и времени, не зависящей от приборов, используемых для наблюдения. В поисках реалистического выхода из создавшегося положения наметились два основных пути: Де-Бройль и Бом считали необходимым сохранить понятие локализованной частицы (корпускулы) в числе основных понятий теории, тогда как Планк и в особенности Шредингер отстаивали монистическую волновую картину.

Первый путь оказался связанным с искусственностью теоретических предпосылок и привел к большим математическим трудностям. Второй путь представляется более конструктивным, так как успешно работающий математический аппарат квантовой физики соответствует именно волновой картине: корпускулярный аспект появляется только в процессе интерпретации. Однако сразу же возникает вопрос: может ли реалистическая волновая картина быть согласована с простейшими экспериментальными фактами? Мы в данной работе приходим к выводу, что такое согласование возможно только в том случае, если предположить экспериментально наблюдаемое нарушение законов сохранения энергии и заряда в единичных взаимодействиях.”

В интерпретации корпускулярно-волнового дуализма, в расшифровке механизма связи этих противоположных свойств, квантовая механика столкнулась с большими трудностями, полностью не преодоленными и в настоящее время. При механистическом рассмотрении противоположные, корпускулярные и волновые, свойства отрывались друг от друга, становились характеристикой различных объектов. В конечном итоге это привело к пониманию того, что это понятие, в настоящее время практически отвергнуто как неверное .

Тем не менее, вся современная учебно-методическая и академическая литература использует корпускулярно-волновой дуализм как важное и значимое понятие для объяснения различных явлений физики микромира, игнорируя абсурдность и противоречивость данной концепции. Апеллируя к невозможности в рамках традиционной физики привести весомые доказательства неадекватности данной концепции, в свою очередь разрешение этого логического противоречия, послужившее созданию физических основ квантовой механики и квантовой теории поля , было предложено с помощью отказа от наглядных (классических) представлений о частицах и волнах. Для объяснения волновых явлений на основе корпускулярных представлений было введено описание микрочастиц (и систем микрочастиц) с помощью векторов состояния , подчиняющихся принципу суперпозиции состояний, и принята их статистическая (вероятностная) интерпретация, позволившая избежать формального логического противоречия с корпускулярными представлениями (нахождение частицы одновременно в нескольких различных состояниях). С другой стороны, рассматривая классические (волновые) поля как механическую систему с бесконечным числом степеней свободы и требуя, чтобы эти степени свободы подчинялись определенным условиям квантования, в квантовой теории поля переходят от классических полей к квантовым. В таком подходе частицы выступают как возбуждённые состояния системы (поля). При этом взаимодействию частиц отвечает взаимодействие их полей.

Существуют и другие попытки решения данной проблемы, в частности, в при диалектическом подходе подчеркивается объективность корпускулярно-волновых свойств, одновременно присущих микрообъекту, но проявляющихся по-разному в зависимости от различных экспериментальных условий; обращается внимание на познание этих противоположных свойств микрообъектов в их единстве и взаимосвязи. Эта интерпретация корпускулярно-волнового дуализма, развитая Ланжевеном, В. А. Фоком, С. Вавиловым и другими учеными, считает микрочастицу не корпускулой и не волной, а чем-то третьим, их синтезом, для чего пока отсутствуют наглядные физические представления. Математическая формулировка этого единства дана в понятии волновой функции.

Очевидно, что проблема корпускулярно-волнового дуализма не в неблагоприятно сложившихся для него обстоятельствах, а в головах ее создателей, которые сделали попытку обобщения представления о корпускулярно-волновой двойственности фотона на все объекты микромира и, прежде всего, на электроны.

Исходя из выше изложенного становится актуальной задача интерпретации такого состояния этой проблемы в настоящее время, в виду того, что она определяет пути развития физики в целом: или путь процветания мифотворчества, или развитие современных концепций, например эфиродинамики, устраняющих проблемы традиционной физики, в том числе и корпускулярно — волновой дуализм.

Обоснование и анализ корпускулярно-волнового дуализма. В 1900 г. М. Планк показал , что для объяснения закона равновесного теплового излучения необходимо принять гипотезу о дискретном характере излучения, полагая, что энергия излучения кратна некоторой величине ε, названной им квантом энергии: ε = hν , где ν — частота волны, a h — постоянная Планка. Впоследствии выяснилось, что более удобной является величина ħ = h/2π ≈ 1,05·10 -27 эрг·с, тогда ε = ħω, где ω = 2πν — круговая частота волны. Поскольку предположение о дискретном характере излучения противоречило волновой теории света, согласно которой энергия световой волны может принимать любые (непрерывные) значения, пропорциональные квадрату амплитуды электромагнитных колебаний, Планк сначала связывал дискретность энергии излучения со свойствами излучателей (атомов). Однако в 1905 А. Эйнштейн, исходя из экспериментально установленного Вина закона излучения (который является предельным случаем Планка закона излучения , справедливым при больших частотах: ħω >> kT , где Т — абс. температура), показал, что энтропия излучения в области справедливости закона Вина совпадает с энтропией газа, состоящего из частиц с энергией ε = ħω. Так возникло представление о частицах света — фотонах , несущих квант энергии ε = ħω и движущихся со скоростью света . В дальнейшем, исходя из релятивистской кинематики, фотонам был приписан импульс p = (ħω/c) n = ħk, где n — единичный вектор вдоль направления движения фотона, k = (ω/c) n = (2π/λ) n — волновой вектор . Представление о фотонах было успешно использовано для объяснения законов фотоэффекта и спектров тормозного рентгеновского излучения.

В 1913 Н. Бор использовал постоянную Планка для определения стационарных состояний в атоме водорода. При этом ему удалось объяснить наблюдаемые на опыте спектральные закономерности и выразить через заряд электрона, его массу и постоянную Планка радиус атома и постоянную Ридберга , оказавшиеся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Способ нахождения стационарных состояний электронов в атомах был усовершенствован А. Зоммерфельдом, показавшим, что для стационарных орбит классическое действие является целым кратным 2ph. Успех теории Бора, привлёкшего для объяснения атомных явлений квантовые представления и постоянную Планка, которая до этого, казалось, связывала лишь корпускулярные и волновые характеристики электромагнитного излучения, навёл на мысль о существовании корпускулярно-волнового дуализма и для электронов. В связи с этим Л. де Бройль в 1924 г. высказал гипотезу о всеобщем характере корпускулярно-волнового дуализма. Согласно гипотезе де Бройля, любой движущейся частице с энергией ε и импульсом р соответствует волна с ω = ε/ħ и волновым вектором k = p/ħ , так же как с любой волной связаны частицы, обладающие энергией ε = ħω и импульсом p = ħk.

Первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году американскими физиками К. Девиссоном и Л. Джермером. Они обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля, дает отчетливую дифракционную картину, подобную той, которая возникает при рассеянии на кристалле коротковолнового рентгеновского излучения. В этих экспериментах кристалл играл роль естественной дифракционной решетки. По положению дифракционных максимумов была определена длина волны электронного пучка, которая оказалась в полном соответствии с вычисленной по формуле де Бройля.

В следующем 1928 году английский физик Г. Томсон (сын Дж. Томсона , открывшего за 30 лет до этого электрон) получил новое подтверждение гипотезы де Бройля. В своих экспериментах Г. Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота. В последующие годы опыт Г. Томсона был многократно повторен с неизменным результатом, в том числе при условиях, когда поток электронов был настолько слабым, что через прибор единовременно могла проходить только одна частица (В. А. Фабрикант , 1948 г.). Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности.

Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи.

Из выше изложенного очевидно, что абсурдность и противоречивость корпускулярно-волнового дуализма следует искать прежде всего в выше приведенном обосновании. Однако, такое решение будет не полным, если не рассматривать исторические истоки этой проблемы.

Открытия конца XIX в. - рентгеновских лучей (1895), естественной радиоактивности (Беккерель, 1896), электрона (Дж. Томсон, 1897), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898), квантового характера излучения (Планк, 1900) были началом революции в науке. Были разрушены ранее господствовавшие представления о неизменности химических элементов, о без структурности атома, о независимости движения от материальных масс, о непрерывности излучения.

Однако, по прошествии более чем ста лет в результате деятельности современной физики оказалось, что революционные открытия конца XIX в. так и остались теоретически не решенными, в частности, вопросы генерации рентгеновских лучей рассматриваются на основе теории тормозного электрона (вариант мифа о свободном электроне), теория радиоактивности полна ошибок и противоречий, квантовый характер излучения привел к мистификации постоянных Планка (h) и тонкой структуры (α), а работы, связанные с открытием электрона, перевернули всю теоретическую физику с ног на голову. Как было показано в работах открытие электрона не только было мифологизировано, но и повлекло ряд грубейших ошибок: о квантованности и дискретности электрического заряда; о существовании элементарного электрического заряда; о придании фундаментальности манипулированным результатам эксперимента Милликена, в котором даже не установлен физический носитель электрического заряда; о бездоказательном и фривольном присвоении электрону отрицательного электрического заряда равного элементарному. Если к этому добавить, что современная физика не имеет представления, за редким исключением, о структурах основных элементарных частиц (протона, электрона, фотона), механизмах их генерации, функциональном назначении, об их параметрах и свойствах, то понятие корпускулярно-волнового дуализма и его обоснование становятся очередным мифом, рожденным в анналах квантовой механики.

Как показано в работе корпускулярно-волновой дуализм фотона это не совсем удачное отображение специфического характера движения фотона в пространстве по винтовой траектории, а постоянная Планка это коэффициент пропорциональности, устанавливающий взаимосвязь между собственным гироскопическим моментом фотона и отношением круговых частот вращения (вокруг собственной и оси прямолинейного движения), имеющий характер квазипостоянной во всей области существования фотона:

М = h ω λ / ω γλ , (1)

где М = m λ r γλ 2 ω γλ — собственный гироскопический момент, r γλ — радиус тела, ω γλ –круговая частота вращения вокруг собственной оси, ω λ = ν — круговая частота вращения вокруг оси прямолинейного движения, m λ – масса фотона.

Согласно современным представлениям постоянная Планка это основная константа квантовой теории , относительно которой на XXIV Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) 17-21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) переопределить единицы измерений СИ таким образом, чтобы постоянная Планка была равной точно 6,62606X·10 −34 Дж·с, где Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA .

В работе показано, что значение h = 6,62606X·10 −34 Дж·с соответствует удвоенному значению постоянной Планка фотона рентгеновского диапазона излучения длиной волны λ ≈ 225 нм, чем ставит вопрос об адекватности квантовой теории.

Постоянная Планка это параметр фотона и только фотона. Это утверждение является следствием физической сущности постоянной Планка (1): из всех известных элементарных частиц, только фотон движется в пространстве по винтовой траектории, т. е. обладает двумя круговыми движениями – вокруг собственной оси и оси прямолинейного движения. Поэтому использование Бором и Зоммерфельдом постоянной Планка для определения стационарных состояний электронов в атоме водорода следует считать некорректным, в виду несоответствия ее сущности. Как известно , впоследствии теория Бора была отнесена в область мифологии квантовой физики. В связи с выше изложенным и гипотеза Л. Де Бройля о всеобщем характере корпускулярно-волнового дуализма не соответствует истине. А, если принять во внимание, что электрон в атоме не имеет самостоятельного движения и его электрический заряд положительный и меньше электрического заряда протона , то гипотезу Л. Де Бройля тоже можно отнести к мифологии квантовой физики. Эти рассуждения можно повторить и для других микрочастиц: нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков.

Что касается экспериментального подтверждения корпускулярно-волнового дуализма, то в этой части некорректность интерпретации заключена в следующем.

Во всех экспериментах, начиная от опытов К. Дэвиссона и Л. Джермера, физики-экспериментаторы исходили из условия генерации экспериментальной установкой пучка электронов, никем не доказанное и не обоснованное, а принимаемое на веру при не понимании ошибок, допущенных теоретической физикой, обусловленных мифом об открытии электрона.

Грубейшей ошибкой физики начала ХХ в. , стало отождествление представлений атомарного электричества и атомов вещества. Одним из результатов такого отождествления стало появление в обиходе физики модели свободных электронов , также известна как модель Зоммерфельда или модель Друде-Зоммерфельда, - простая квантовая модель поведения валентных электронов в атоме металла , разработана Зоммерфельдом на основе классической модели Друде с учётом квантово-механической статистики Ферми - Дирака. Электроны металла рассматриваются в этой модели как Ферми-газ .

Отличие модели Зоммерфельда от модели Друде в том, что в кинетических процессах участвуют не все валентные электроны металла, а только те, которые имеют энергию в пределах kT от энергии Ферми, где k - постоянная Больцмана, T - температура. Несмотря на свою простоту, модель объясняет много разных явлений, среди которых: термоэлектронная эмиссия и автоэлектронная эмиссия (т. е. работу электронной пушки).

Модель Зоммерфельда это квантовая модель газа свободных и независимых электронов Ферми, в которой используется распределение Ферми-Дирака, т. е. это модель в математическом описании которой широко используется постоянная Планка. Из выше рассмотренной физической сущности постоянной Планка следует, что ее непосредственное использование в модели Зоммерфельда (как параметра электрона) не корректно и не соответствует модели газа свободных и независимых электронов.

Модель Друде - классическое описание движения электронов в металлах . Счита­ется, что свободные электроны (электроны, потерявшие связь со «своими» атомами) в металлах подчиняются законам идеального газа. Эта теория была предложена немецким физиком Паулем Друде в 1900 году , т. е. в то время, когда представления об электроне соответствовали представлениям о частицах, несущим электрический заряд, неустановленной физической сущности.

Таким образом, не корректное использование постоянной Планка – параметра фотона, имеющего характер квазипостоянной (т. е. постоянная Планка является функцией длины волны фотона) в моделях квантовой механики ставит вопрос их применимости не только для обоснования корпускулярно-волнового дуализма, но и для анализа других физических явлений в целом.

То, что электронные пушки не генерируют потоки электронов можно также обосновать используя представления о физической сущности электрического заряда . Опуская математические расчеты, можно показать, что энергия связи протон-электронных пар, например, для некоторых атомов вещества, будет иметь следующие значения: цезия — (радиус атома 2,98 10 -10 м) 3,465 10 4 эВ, цинка (1,42 10 -10 м) 7,27 10 4 эВ, гелия (0,32 10 -10 м) 3,227 10 5 эВ. В данных примерах приведены данные для протон-электронных пар, у которых электрон является внешним в атоме, т. е. энергия связи для указанных протон-электронных пар атомов является минимальной. Атом цезия является наибольшим (с точки зрения размерности), атом гелия – наименьшим из всех известных из периодической таблицы химических элементов Д. Менделеева.

В семинарах читаем “Рис. 3.3. Опыт Томсона. …в) Дифракционная картина, полученная при рассеянии электронов с энергией 600 эВ ”. Как видно из выше приведенных энергий связи протон-электронных пар наименьшей энергией электрона в случае разрыва этой связи было бы значение 34.65 КэВ (>> 0.6 КэВ ), если бы в электронной пушке в качестве активированного вещества использовался бы цезий. Так что Томсон никак не мог наблюдать дифракцию электронов, в виду не возможности их генерации с указанной энергией.

Известно , что излучение мягкого рентгеновского диапазона находится в диапазоне длин волн от 10 нм до 0,1 нм и энергий фотонов 124 эВ -12 400 эВ соответственно. Очевидно, что опыты физиков по “дифракции электронов” больше соответствуют опытам по дифракции фотонов рентгеновского диапазона, на что также указывает совпадение интерференционных картинок.

Явление интерференции может быть легко объяснено в рамках не только волновой, но и корпускулярной теории и, следовательно, доказательством волновой природы служить не может.

Выводы. Традиционная физика под дуализмом понимает корпускулярные свойства микрочастиц и волновые свойства движения, причем представления о волне, как возмущение некоторой среды, заменяются представлениями о волне вероятности обнаружить микрочастицу в определенной точке пространства.

Историческими корнями корпускулярно-волнового дуализма следует считать специфическую форму движения фотона в пространстве по винтовой траектории и постоянную Планка.

Непонимание физической сущности постоянной Планка и ряд грубейших ошибок теоретической физики начала ХХ века привели к ошибочным представлениям, одним из которых стал корпускулярно-волновой дуализм.

На сегодняшний день не существует логически верных и экспериментальных доказательств корпускулярно-волнового дуализма в природе.

Что же касается «квантовой теории», то она больше похожа на математическую абстракцию, удачно аппроксимирующую эмпирические данные.

Литература :

  1. http://femto.com.ua/articles/part_1/1773.html Корпускулярно-волновой дуализм.
  2. Славнов Д. А. Корпускулярно-волновой дуализм // Физика элементарных частиц и атомного ядра . - 2015. - Т. 46, № 4. - С. 1200–1225.
  3. https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1006/1006.0016.pdf Горюнов А.В. ИДУЩАЯ ВОЛНА КАК МОДЕЛЬ ЧАСТИЦЫ.
  4. Ишханов Б. С., Степанов М. Е., Третьякова Т. Ю. Семинары по физике частиц и атомного ядра. - КДУ, Университетская книга Москва, 2016. - С. 292.
  5. Квантовая механика (пер. с французского) под ред. Л. Д. Фадеева. Альберт Мессиа. Монография. Т.I. М.: Наука, 1978 г. — 480 с.
  6. Делоне Н.Б. Квантовая природа вещества. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 208 с.
  7. http://www.km.ru/referats/9289A9AE71E9452B85D5755C15ADF90D Сравнительный анализ и общая характеристика истории развития естественнонаучных картин мира. Лямин В. С., Лямин Д. В. Физическая сущность постоянной Планка.
  8. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Модель Друде.
  9. http://chem21.info/info/998127/ Справочник химика 21.
  10. Лямин В. С., Лямин Д. В. Что такое электрический ток.
  11. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Электромагни́тный спектр.
  12. https://naukovedenie.ru/PDF/09TVN216.pdf Кочетков А.В., Федотов П.В. Дифракция и интерференция микрочастиц // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №2 (2016).

Лямин В.С. , Лямин Д. В. г. Львов

Обнаружение корпускулярных свойств света в опытах по фотоэффекту, в опыте Комптона и в ряде других экспериментов не может отменить твердо установленных фактов наличия у света волновых свойств, обнаруживаемых при наблюдении явлений интерференции, дифракции, поляризации. Тот факт, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами, называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Противоположность свойств волн и частиц в классической физике делает неправомерным утверждение, что свет является одновременно и волной, и потоком частиц. Свет не является ни волной, ни потоком частиц. Природа света более сложна и не может быть без внутренних противоречий описана с применением наглядных образов классической физики. Смысл корпускулярноволнового дуализма свойств света заключается в том, что в зависимости от условий эксперимента природа света может быть приближенно описана с применением либо волновых, либо корпускулярных представлений.

Одним из вариантов сведения сложной природы света к более простой является попытка представления фотона в виде ограниченного в пространстве и во времени цуга электромагнитных волн, получившегося в результате сложения большого числа гармонических электромагнитных волн. Если бы такое представление о фотоне соответствовало действительности, то при прохождении пучка света через пластину с полупрозрачным зеркальным покрытием половина каждого цуга проходила бы, а половина отражалась. Разделение каждого фотона на два можно было бы обнаружить по одновременному срабатыванию приборов, поставленных на пути проходящего и отраженного пучков света. Однако опыт показывает, что приборы не срабатывают одновременно. Срабатывает либо первый из них, либо второй в отдельности. Это значит, что каждый фотон не разделяется пластиной с полупрозрачным покрытием на два, а с равной вероятностью либо

отражается, либо проходит сквозь пластину как единое целое.

Ограниченная применимость образов классической физики для описания свойств света выражается не только в том, что для описания результатов одних опытов оказываются пригодными волновые представления, а для других - корпускулярные, но и в условности применения этих образов в каждом случае. Используя корпускулярные представления при описании фотоэлектрического эффекта и комптоновского рассеяния, нельзя забывать о существенных отличиях свойств фотона от свойств частиц в классической физике. Масса покоя фотона равна нулю, скорость его движения в любой инерциальной системе отсчета одинакова, и нет такой системы отсчета, в которой его скорость была бы равна нулю. Рассматривая свет как поток частиц - фотонов, мы должны для определения массы фотона использовать чисто волновую характеристику света - частоту. При исследовании таких волновых явлений, как интерференция и дифракция света, для регистрации интерференционной или дифракционной картины необходимо применять фотоэлемент или фотопластинку, т. е. использовать квантовые свойства света для обнаружения его волновых свойств.

1. Какие закономерности явления фотоэффекта невозможно объяснить на основе волновой теории света?

2. Объясните, почему из волновой теории следует запаздывание фотоэффекта.

3. Одинакова ли кинетическая энергия электронов, освобождаемых из металла под действием фотонов одинаковой частоты?

4. Можно ли наблюдать явление комптоновского рассеяния фотонов видимого света?

5. Можно ли выполнить опыт Боте, используя в качестве источника фотонов лампочку карманного фонаря и счетчики фотонов видимого света?

Коллега, по представлениям классической физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Многие наблюдали это различие между полётом камня по определённой траектории и распространением волн по поверхности воды, при падении этого камня в воду.

Это, мой друг, в макромире. Но в микромире эти различия, как-бы, «размываются».

К примеру, ещё Гюйгенс (1629-1695), затем Юнг (1773-1829) и Френель (1788-1827) доказали, что свет имеет волновую природу. Это проявляется в явлениях, поляризации, преломления, интерференции и дифракции света.

Однако, исследуя в 1900 году законы теплового излучения, Планк (1858-1947) обнаружил «световые порции» – кванты электромагнитного поля. Эти кванты – фотоны – во многом похожи на частицы (корпускулы): они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. Более поздние опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект) и рассеянию света на электронах (Комптона эффект) показали, что свет ведёт себя подобно потоку частиц.

С другой стороны, оказалось, что падающие на кристалл электроны, которые изначально воспринимались, как частицы, дают дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам.

В 1924 Бройль (1892-1968) выступил с поразительной по смелости гипотезой о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи – электронам, протонам, атомам и т.д., причём количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные ранее для фотонов. А именно, если частица имеет энергию W и импульс p , то с ней связана волна, частота которой ν = W/h и длина волны λ = h/p , где h – постоянная Планка. Эти волны получили название «волны де Бройля».

Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики.

Квантовая механика устранила абсолютную грань между волной и частицей. Ведь каждая волна состоит из полуволн, которые мы называем пучностями (расположены между двумя узлами, см. рис.):

Пучности во многом похожи на частицы (корпускулы). Ведь они, так же как и фотоны, обладают определённой энергией и импульсом, чётко ограничены в пространстве (длина волны) и во времени (период волны).

При этом (очень важно!), если мы по горизонтальной оси будем откладывать длину волны (в метрах), а по вертикальной – её импульс (кг*м/с), то величина площади пучности будет равна постоянной Планка (Дж*с). Такое же значение будет иметь площадь пучности, если мы по вертикали будем откладывать энергию волны (Дж), а по горизонтали – её период (в секундах). Именно поэтому мы называем эти пучности квантами (порциями) энергии и импульса (следовательно, и массы).

Вывод : фотон, электрон, протон, нейтрон… являются лишь полуволнами колебаний той среды, в которой распространяется волна. В свою очередь полуволну можно рассматривать, как корпускулу, имеющую конкретный размер (длина полуволны), энергию, импульс и массу (для электрона и протона – ещё и электрический заряд) .

Дополнение :

Однако электромагнитные волны распространяются не в плоскости, а в трёхмерном объёме. При этом поперечность этих волн выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряжённости электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы почти всегда взаимно перпендикулярны, поэтому для описания электромагнитной волны требуется знать поведение лишь одного из них. Обычно для этой цели выбирают вектор Е.

На рисунке показаны колебания проекций электрического вектора Е на взаимно перпендикулярные оси X и Y (Z - направление распространения волны) и огибающая концов полного вектора Е в разных точках волны для случая, когда вертикальные (по оси X) колебания на четверть периода (90°) опережают горизонтальные (по оси Y). Конец вектора Е в этом случае описывает окружность в направлении «правого винта».

Практически мы получили цилиндрическую пружину, которую можно рассматривать как устройство, накапливающее потенциальную энергию. Однако, в потенциальном поле атома электромагнитная волна распространяется не линейно (вдоль оси Z), а по замкнутой кривой. Значит, нашу пружину необходимо свернуть в кольцо так, чтобы её основания совместились друг с другом. Получим тор (проще бублик), центр которого совпадает с центром потенциального поля.

Электромагнитная волна в замкнутом пространстве атома представляет собой стоячую волну, которая распространяется вдоль оси тора (свёрнутая нами в кольцо ось Z) с орбитальной скоростью, равной корню квадратному из модуля гравитационного потенциала (v 2 , Дж/кг) на данной траектории, а конец вектора Е описывает винтовую окружность вдоль витков пружины.

Для справки :

Поляризация света , одно из фундаментальных свойств оптического излучения (света), состоящее в неравноправии векторов напряжённости в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).

Преломление света , изменение направления распространения оптического излучения (света) при его прохождении через границу раздела двух сред.

Интерференция волн , сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Дифракция (от лат. diffractus – разломанный) волн , явление, связанное с отклонением волн при их прохождении мимо края препятствия. В соответствии с принципом Гюйгенса – Френеля это препятствие является источником вторичных волн, от которого распространяется сферическая волна, попадая в область геометрической тени.

Квант света (нем. quant, от лат. quantum – сколько), количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить атом или другая квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон.

Планка постоянная , квант действия, фундаментальная физическая постоянная, определяющая широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность действия.

Квантовая механика – волновая механика, теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.

Так и корпускулярные (квантовые) свойства .

Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В соответствии с теоремой Эренфеста квантовые аналоги системы канонических уравнений Гамильтона для макрочастиц приводят к обычным уравнениям классической механики. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля .

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году . Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте и в эффекте Комптона . Фотон ведёт себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Сейчас концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как, во-первых, некорректно сравнивать и/или противопоставлять материальный объект (электромагнитное излучение, например) и способ его описания (корпускулярный или волновой); и, во-вторых, число способов описания материального объекта может быть больше двух (корпускулярный, волновой, термодинамический, …), так что сам термин «дуализм » становится неверным. На момент своего возникновения концепция корпускулярно-волнового дуализма служила способом интерпретировать поведение квантовых объектов, подбирая аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Методологически более корректной является формулировка квантовой теории через интегралы по траекториям (пропагаторная), свободная от использования классических понятий.

Энциклопедичный YouTube

  • 1 / 5

    Любой материальный объект физического мира обладает как корпускулярными (энергия E {\displaystyle E} , импульс p → {\displaystyle {\vec {p}}} , скорость v → {\displaystyle {\vec {v}}} частицы) так и волновыми (частота ω {\displaystyle \omega } , волновой вектор k → {\displaystyle {\vec {k}}} волны де Бройля , групповая скорость v g r → {\displaystyle {\vec {v_{gr}}}} волны) свойствами . Они связаны между собой релятивистски инвариантными соотношениями:

    E = ℏ ω {\displaystyle E=\hbar \omega } p → = ℏ k → {\displaystyle {\vec {p}}=\hbar {\vec {k}}}

    Здесь ℏ {\displaystyle \hbar } - постоянная Планка .

    При этом скорость частицы равна групповой скорости волны де Бройля соответствующей ей волны :

    v → = v g r → {\displaystyle {\vec {v}}={\vec {v_{gr}}}}

    В четырёхмерном виде эти формулы связывают четырёхвектор энергии-импульса p μ {\displaystyle p^{\mu }} с четырёхмерным волновым вектором и имеют вид :

    p μ = (p 0 p 1 p 2 p 3) = (E / c p x p y p z) = ℏ (ω / c k x k y k z) . {\displaystyle p^{\mu }={\begin{pmatrix}p_{0}\\p_{1}\\p_{2}\\p_{3}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}E/c\\p_{x}\\p_{y}\\p_{z}\end{pmatrix}}=\hbar {\begin{pmatrix}\omega /c\\k_{x}\\k_{y}\\k_{z}\end{pmatrix}}.}

    Энергия и импульс любого материального объекта связаны соотношением:

    E 2 c 2 = m 2 c 2 + p x 2 + p y 2 + p z 2 {\displaystyle {\frac {E^{2}}{c^{2}}}=m^{2}c^{2}+p_{x}^{2}+p_{y}^{2}+p_{z}^{2}}

    Аналогичным соотношением связаны частота и волновой вектор :

    ω 2 c 2 = m 2 c 2 ℏ 2 + k x 2 + k y 2 + k z 2 {\displaystyle {\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}={\frac {m^{2}c^{2}}{\hbar ^{2}}}+k_{x}^{2}+k_{y}^{2}+k_{z}^{2}}

    История развития

    Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно.

    Корпускулярно-волновая двойственность света

    Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать с классической точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами.

    Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные - в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решётке - кристаллической решётке твёрдого тела. В 1909 году английский учёный Джеффри Инграм Тейлор провёл опыт с использованием чрезвычайно слабого источника света и установил, что волновое поведение присуще отдельным фотонам.

    Волны де Бройля

    p = h 2 π k = ℏ k , {\displaystyle \mathbf {p} ={\frac {h}{2\pi }}\mathbf {k} =\hbar \mathbf {k} ,}

    где k = 2 π λ n {\displaystyle \mathbf {k} ={\frac {2\pi }{\lambda }}\mathbf {n} } - волновой вектор, модуль которого k = 2 π λ {\displaystyle k={\frac {2\pi }{\lambda }}} - волновое число - есть число длин волн, укладывающихся на 2 π {\displaystyle 2\pi } единицах длины, n {\displaystyle \mathbf {n} } - единичный вектор в направлении распространения волны, ℏ = h 2 π = 1 , 05 ⋅ 10 − 34 {\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1{,}05\cdot 10^{-34}} Дж·с.

    Фазовая скорость волн де Бройля свободной частицы

    v f = ω k = E p = m c 2 m v = c 2 v ≃ c 2 h m λ = c 2 p 2 2 W h λ , {\displaystyle v_{f}={\frac {\omega }{k}}={\frac {E}{p}}={\frac {mc^{2}}{mv}}={\frac {c^{2}}{v}}\simeq {\frac {c^{2}}{h}}m\lambda ={\frac {c^{2}p^{2}}{2Wh}}\lambda ,}

    где ω = 2 π ν {\displaystyle \omega =2\pi \nu } - циклическая частота, W {\displaystyle W} - кинетическая энергия свободной частицы, E {\displaystyle E} - полная (релятивистская) энергия частицы, p = m v 1 − v 2 c 2 {\displaystyle p={\frac {mv}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}} - импульс частицы, m {\displaystyle m} , v {\displaystyle v} - её масса и скорость соответственно, λ {\displaystyle \lambda } - длина дебройлевской волны. Последние соотношения - нерелятивистское приближение. Зависимость фазовой скорости дебройлевских волн от длины волны указывает на то, что эти волны испытывают равна скорости частицы v {\displaystyle v} :

    u = d ω d k = d E d p = v {\displaystyle u={\frac {d\omega }{dk}}={\frac {dE}{dp}}=v} .

    Связь между энергией частицы E {\displaystyle E} и частотой ν {\displaystyle \nu } волны де Бройля, согласно которой частицы попадают в определённые места в приёмниках - туда, где интенсивность волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации , квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.