Корпускулярно-волновой дуализм свойств вещества. Гипотеза де Бройля.

Неспособность теории Бора объяснить спектр атома гелия сделала необходимым пересмотр основ классической механики и представлений о природе элементарных частиц.

Мы уже знаем, что свет обладает двойственной природой. В 1923 году французский ученый Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что двойственность природы является не только особенностью света, она универсальна. Частицы вещества на ряду с корпускулярными свойствами обладают волновыми. Движущейся частице сопоставляется волна. Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля:

,

где - масса частицы, движущейся со скоростью .

Идея о корпускулярно-волновой природе вещества является основополагающей в квантовой механике.

Волновые явления не проявляются для макроскопических тел. Как видно из формулы, чем больше импульс тела, тем меньше длина волны и тем труднее ее обнаружить. Для электронов, протонов и нейтронов длина волны имеет порядок м. для пылинки, летящей со скоростью и массой г, длина волны составляет м. экспериментально такую волну не обнаружить. Частицы, волновые свойства которых можно обнаружить экспериментально, называют микрочастицами.

Опытное подтверждение корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц

В 1927 году гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. Американские физики Дэвиссон и Джормер обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки – кристалла никеля – дает отчетливую дифракционную картину. Дифракционные максимумы соответствовали формуле Вульфа-Брэгга:

,

где - межплоскостное расстояние в кристалле, - порядок дифракционного максимума, - угол падения.

Длина волны, найденная по этой формуле, оказалась в точности равной длине волны де Бройля для электрона . В дальнейшем формула де Бройля была подтверждена опытами Тартаковского и Томсона, наблюдавших дифракционную картину при прохождении пучка быстрых электронов (50 кэВ) через металлическую фольгу (толщиной 1 мкм).

В 1949 году советскими физиками Биберманом, Сушкиным и Фабрикантом был поставлен опыт, который показал, что волновые свойства присуще не только пучкам электронов, но и каждому электрону в отдельности. В этом опыте электроны направлялись на фольгу друг за другом. Промежуток времени между двумя попаданиями в 30000 раз больше времени прохождения через фольгу. Возникшая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов, в десятки миллионов раз более интенсивных. Следовательно, волновые свойства частиц не являются свойством их коллектива, а присущи каждой частице в отдельности.

В 1929 году немецкие физики Штерн и Эстерман показали, что дифракционные явления обнаруживаются у протонов, нейтронов, атомов гелия и водорода. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля.