Волновые свойства микрообъектов и их вероятностное описание

Как отмечалось в предыдущем параграфе, в результате углубления представлений о природе света выяснилось, что в оптических явлениях обнаруживается корпускулярно-волновой дуализм: в одних явлениях (интерференция, дифракция, поляризация) электромагнитное излучение ведет себя как волна, в других (тепловое излучение, фотоэффект, эффект Комптона) – как поток квантов. Л. де Бройль (1924) выдвинул гипотезу, согласно которой дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальное значение. Каждому микрообъекту можно поставить в соответствие волновой процесс, длина волны которого определяется так же, как и для фотонов:

l=h/p=h/mV. (4.13)

Гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927) по отражению электронов от монокристаллов никеля; экспериментально наблюдаемой дифракционной картине при прохождении электронного пучка через металлическую фольгу (Г.П.Томсон, 1927; В.А. Фабрикант и др., 1949). Было показано, что волновые свойства присущи каждому отдельному электрону.

По современным представлениям всякий микрообъект представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны (это “частица – волна”). Отличие микрообъекта от волны заключается в том, что он всегда проявляет себя как неделимое целое (например, никто никогда не наблюдал полэлектрона). Электрон, как и все другие микрочастицы, всегда обнаруживается как целое, с присущей ему массой, зарядом и другими характерными свойствами. В то же время волну можно разделить оптическими методами на части и воспринимать затем каждую часть в отдельности. Отличие микрообъекта от обычной макрочастицы заключается в том, что он не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, вследствие чего понятие траектории применительно к микрообъекту утрачивает смысл. Таким образом, даже очень маленький шарик не может служить прообразом микрочастицы. С уменьшением размеров начинают проявляться качественно новые свойства, отсутствующие у макрочастиц.

Волновые свойства микрообъектов приводят к тому, что квантовая механика, описывающая их поведение, имеет статистический характер. Для характеристики состояния микрообъектов вводится волновая функция y (пси-функция), имеющая вероятностный смысл. Квадрат модуля волновой функции ½y½² определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах бесконечно малого объема dV. Основным уравнением нерелятивистской квантовой механики является уравнение Шредингера, позволяющее определить пси-функцию микрообъекта и, следовательно, определить вероятность нахождения микрообъекта в различных точках пространства.