Двойственост вълна-частица– свойството на всяка микрочастица да открива признаци на частица (корпускула) и вълна. Дуализмът вълна-частица се проявява най-ясно при елементарните частици. Електронът, неутронът, фотонът при едни условия се държат като добре локализирани материални обекти (частици) в пространството, движещи се с определени енергии и импулси по класически траектории, а при други като вълни, което се проявява в способността им да интерферират и дифракция. Така електромагнитната вълна, разсейвайки се върху свободни електрони, се държи като поток от отделни частици - фотони, които са кванти на електромагнитното поле (ефект на Комптън), а импулсът на фотона се дава по формулата p = h/λ, където λ е дължината на електромагнитната вълна, а h е константата на Планк. Тази формула сама по себе си е доказателство за дуализъм. При него отляво е импулсът на отделна частица (фотон), а отдясно дължината на вълната на фотона. Двойствеността на електроните, които сме свикнали да разглеждаме като частици, се проявява в това, че при отражение от повърхността на единичен кристал се наблюдава дифракционна картина, която е проява на вълновите свойства на електроните. Количествената връзка между корпускулярните и вълновите характеристики на електрона е същата като при фотона: р = h/λ (р е импулсът на електрона, а λ е неговата дължина на вълната на Де Бройл). Дуалността вълна-частица е в основата на квантовата физика.

Вълната (козина) е процес, винаги свързан с материална среда, която заема определен обем в пространството.

64. Вълни на Де Бройл. Електронна дифракция Вълнови свойства на микрочастиците.

Развитието на идеите за корпускулярно-вълновите свойства на материята, получено в хипотезата за вълновата природа на движението на микрочастиците. Луис дьо Бройл, от идеята за симетрия в природата за частиците на материята и светлината, приписва на всяка микрочастица определен вътрешен периодичен процес (1924 г.). Комбинирайки формулите E = hν и E = mc 2, той получава връзка, показваща, че всяка частица има своя собствена дължина на вълната : λ B = h/mv = h/p, където p е импулсът на вълновата частица. Например за електрон с енергия 10 eV дължината на вълната на де Бройл е 0,388 nm. Впоследствие беше показано, че състоянието на микрочастицата в квантовата механика може да се опише с определен комплекс вълнова функция координатите Ψ(q) и квадрата на модула на тази функция |Ψ| 2 определя вероятностното разпределение на стойностите на координатите. Тази функция е въведена за първи път в квантовата механика от Шрьодингер през 1926 г. По този начин вълната на де Бройл не носи енергия, а само отразява „фазовото разпределение“ на някакъв вероятностен периодичен процес в пространството. Следователно описанието на състоянието на обектите от микросвета е вероятностен характер, за разлика от обектите на макросвета, които се описват от законите на класическата механика.

За да докаже идеята на де Бройл за вълновата природа на микрочастиците, немският физик Елзасер предлага използването на кристали за наблюдение на електронна дифракция (1925 г.). В САЩ К. Дейвисън и Л. Гермер откриват явлението дифракция, когато електронен лъч преминава през пластина от никелов кристал (1927 г.). Независимо от тях, дифракцията на електрони, преминаващи през метално фолио, е открита от J.P.Thomson в Англия и P.S. Тартаковски в СССР. Така идеята на де Бройл за вълновите свойства на материята намери експериментално потвърждение. Впоследствие дифракционните и следователно вълновите свойства са открити в атомните и молекулярните лъчи. Не само фотоните и електроните, но и всички микрочастици имат свойства на частици-вълни.

Откриването на вълновите свойства на микрочастиците показа, че такива форми на материята като поле (непрекъснато) и материя (дискретно), които от гледна точка на класическата физика се считат за качествено различни, при определени условия могат да проявяват свойства, присъщи и на двете форми. Това говори за единството на тези форми на материята. Пълното описание на техните свойства е възможно само въз основа на противоположни, но допълващи се идеи.

39. Вълнова частица дуалност на свойствата на материята.

Частично-вълнов дуализъм на свойствата на ЕМ лъчение. Това означава, че природата на светлината може да се разглежда от две страни: от една страна, това е вълна, чиито свойства се проявяват в законите на разпространение на светлината, интерференция, дифракция, поляризация. От друга страна, светлината е поток от частици, които имат енергия и импулс. Корпускулярните свойства на светлината се проявяват в процесите на взаимодействие на светлината с материята (фотоелектричен ефект, ефект на Комптън).

Чрез анализиране може да се разбере, че колкото по-голяма е дължината на вълната l, толкова по-ниска е енергията (от E = hс/l), толкова по-малък е импулсът, толкова по-трудно е да се открият квантовите свойства на светлината.

Колкото по-малко l => по-голяма е енергията E на фотона, толкова по-трудно е да се открият вълновите свойства на светлината.

Връзката между свойствата на двойната частица-вълна на светлината може да се обясни, ако се използва статистически подход за разглеждане на моделите на разпределение на светлината.

Например дифракция на светлината от процеп: когато светлината преминава през процеп, фотоните се преразпределят в пространството. Тъй като вероятността фотон да удари различни точки на екрана не е еднаква, се появява дифракционен модел. Осветеността на екрана (броят фотони, падащи върху него) е пропорционална на вероятността фотон да удари тази точка. От друга страна, осветеността на екрана е пропорционална на квадрата на амплитудата на вълната I~E 2 . Следователно квадратът на амплитудата на светлинна вълна в дадена точка в пространството е мярка за вероятността фотон да удари тази точка в пространството.

44. Уравнение на Шрьодингер за стационарни състояния.

Уравнение (217.5) наречено уравнение на Шрьодингер за стационарни състояния.Това уравнение включва общата енергия като параметър дчастици. В теорията на диференциалните уравнения е доказано, че такива уравнения имат безкраен брой решения, от които чрез налагане на гранични условия се избират решения, които имат физически смисъл. За уравнението на Шрьодингер такива условия са условията за редовност на вълновите функции: вълновите функции трябва да бъдат крайни, еднозначни и непрекъснати заедно с първите си производни. По този начин само онези решения, които са изразени чрез регулярни функции, имат реален физически смисъл  Но регулярни решения не се извършват за никакви стойности на параметъра E, aсамо за определен набор от тях, характерен за дадена задача. Тези енергийни стойности се наричат собствен.Решения, които съответстват собствененергийните стойности се наричат собствени функции.Собствени стойности дмогат да образуват непрекъсната или дискретна серия. В първия случай говорим за непрекъснато,или непрекъснат спектървъв втория - относно дискретния спектър.

40. Вълни на Де Бройл и техните свойства.

Де Бройл твърди, че не само фотоните, но и електроните и всякакви други частици на материята, заедно с корпускулярните, също имат вълнови свойства. Така че, според де Бройл, с всеки микрообектса свързани, от една страна, корпускуларенхарактеристики – енерг ди инерция R,а от друга - вълнови характеристики- честота v и дължина на вълната ДА СЕ.Количествените отношения, свързващи корпускулярните и вълновите свойства на частиците, са същите като при фотоните: д= в.в, стр= ч/  . (213.1) Смелостта на хипотезата на де Бройл се крие именно във факта, че връзката (213.1) е постулирана не само за фотони, но и за други микрочастици, по-специално за тези, които имат маса на покой. Така всяка частица с импулс е свързана с вълнов процес с определена дължина на вълната според формулата на де Бройл:  = ч/ стр. (213.2) Тази връзка е валидна за всяка частица с импулс Р.Скоро хипотезата на де Бройл беше потвърдена експериментално. (K. Davisson, L. Germer) откриват, че лъчът от електрони се разпръсква от естествения дифракционна решетка- никелов кристал - дава ясна дифракционна картина. Дифракционните максимуми съответстват на формулата на Wulff-Bragg (182.1), а дължината на вълната на Bragg се оказва точно равен на дължинатавълна, изчислена по формула (213.2). Впоследствие формулата на де Бройл се потвърждава от експериментите на П. С. Тартаковски и Г. Томсън, които наблюдават дифракционната картина, когато лъч от бързи електрони (енергия 50 keV) преминава през метално фолио (дебелина 1 μm). Тъй като дифракционната картина беше изследвана за поток от електрони, беше необходимо да се докаже, че вълновите свойства са присъщи не само на потока от голяма колекция от електрони, но и на всеки електрон поотделно. Това е експериментално потвърдено през 1948 г. от съветския физик В. А. Фабрикант (р. 1907 г.). Той показа, че дори в случай на такъв слаб електронен лъч, когато всеки електрон преминава през устройството независимо от останалите (времевият интервал между два електрона е 10 4 пъти по-дълъг от времето, необходимо на един електрон да премине през устройството) , дифракционната картина, която възниква по време на продължителна експозиция, не се различава от дифракционните модели, получени при кратко излагане на електронни потоци, десетки милиони пъти по-интензивни. Следователно вълновите свойства на частиците не са свойство на техния колектив, а са присъщи на всяка частица поотделно. Впоследствие са открити дифракционни явления и за неутрони, протони, атомни и молекулни лъчи. Експерименталното доказателство за наличието на вълнови свойства на микрочастиците доведе до заключението, че пред нас е универсално явление, общо свойство на материята. Но тогава вълновите свойства трябва да са присъщи и на макроскопичните тела. Защо не са открити експериментално? Например, частица с маса 1 g, движеща се със скорост 1 m/s, съответства на вълна на де Бройл с =6,62 10 -31 м. Тази дължина на вълната се намира извън областта, достъпна за наблюдение (периодични структури с период d10 -31 m не съществува). Затова се смята, че макроскопичните тела проявяват само едната страна на своите свойства – корпускулярната – и не проявяват вълновата. Идеята за двойната частково-вълнова природа на частиците на материята се задълбочава допълнително от факта, че връзката между общата енергия на частицата се прехвърля към частиците на материята Жи честота v на вълните на де Бройл: e=hv. (213.3) Това показва, че връзката между енергия и честота във формула (213.3) има характера универсално съотношение,важи както за фотоните, така и за всякакви други микрочастици. Валидността на съотношението (213.3) следва от съответствието с опита на онези теоретични резултати, които са получени с негова помощ в квантовата механика, атомната и ядрената физика. Експериментално потвърдената хипотеза на Де Бройл за двойствеността на вълновите частици на свойствата на материята радикално промени идеята за свойствата на микрообектите. Всички микрообекти имат както корпускулярни, така и вълнови свойства; в същото време нито една от микрочастиците не може да се счита нито за частица, нито за вълна в класическия смисъл. Съвременната интерпретация на дуалността вълна-частица може да бъде изразена с думите на съветския физик-теоретик В. А. Фок (1898-1974): „Можем да кажем, че за един атомен обект има потенциална възможност да се прояви в зависимост от външните условия, или като вълна, или като частица, или по междинен начин. Това е в това потенциална възможностразлични прояви на свойства, присъщи на микрообекта, съставляват дуалността вълна-частица. Всяко друго, по-буквално разбиране на този дуализъм под формата на някакъв модел е неправилно.”

Ако си мислите, че сме потънали в забрава с нашите умопомрачителни теми, то бързаме да ви разочароваме и зарадваме: сбъркахте! Всъщност през цялото това време се опитвахме да намерим приемлив метод за представяне на луди теми, свързани с квантовите парадокси. Написахме няколко чернови, но всички бяха изхвърлени на студа. Защото, когато става въпрос за обяснение на квантовите шеги, ние самите се объркваме и признаваме, че не разбираме много (и като цяло малко хора разбират тази материя, включително готините световни учени). Уви, квантовият свят е толкова чужд на филистерския мироглед, че изобщо не е срамно да признаете неразбирането си и да се опитате малко заедно, за да разберете поне основите.

И въпреки че, както обикновено, ще се опитаме да говорим възможно най-ясно с изображения от Google, неопитният читател ще се нуждае от първоначална подготовка, така че ви препоръчваме да разгледате предишните ни теми, особено за кванти и материя.
Специално за хуманисти и други заинтересовани хора - квантови парадокси. Част 1.

В тази тема ще говорим за най-честата мистерия на квантовия свят – дуалността вълна-частица. Когато казваме „най-обикновеното“, имаме предвид, че физиците са толкова уморени от него, че дори не изглежда като мистерия. Но това е всичко, защото други квантови парадокси са още по-трудни за приемане от средностатистическия ум.

И беше така. В добрите стари времена, някъде в средата на 17-ти век, Нютон и Хюйгенс се разминават относно съществуването на светлина: Нютон безсрамно заявява, че светлината е поток от частици, а старият Хюйгенс се опитва да докаже, че светлината е вълна. Но Нютон беше по-авторитетен, така че твърдението му за природата на светлината беше прието за вярно, а Хюйгенс стана за смях. И в продължение на двеста години светлината се смяташе за поток от някакви неизвестни частици, чиято природа те се надяваха един ден да открият.

В началото на 19 век един ориенталист на име Томас Йънг се занимава с оптични инструменти- в крайна сметка той взе и проведе експеримент, който сега се нарича експеримент на Юнг и всеки физик смята този опит за свещен.

Томас Йънг просто насочи лъч (със същия цвят, така че честотата да беше приблизително същата) светлина през два процепа в плочата и постави друга екранна плоча зад него. И показа резултата на колегите си. Ако светлината беше поток от частици, тогава щяхме да видим две светлинни ивици на заден план.
Но за съжаление научен свят, серия от тъмни и светли ивици се появи на екрана на плочата. Често срещано явление, наречено смущение, е наслагването на две (или повече вълни) една върху друга.

Между другото, благодарение на намесата наблюдаваме дъгови нюанси върху маслено петно ​​или върху сапунен мехур.

С други думи, Томас Йънг експериментално доказва, че светлината е вълна. Научен святДълго време той не искаше да вярва на Юнг и по едно време беше толкова критикуван, че дори изостави идеите си за вълновата теория. Но увереността в тяхната правота все още спечели и учените започнаха да разглеждат светлината като вълна. Вярно, вълна от какво - беше мистерия.
Тук, на снимката, е добрият стар експеримент на Юнг.

Трябва да се каже, че вълновата природа на светлината не е повлияла значително на класическата физика. Учените пренаписаха формулите и започнаха да вярват, че скоро целият свят ще падне в краката им под една единствена универсална формула за всичко.
Но вече се досетихте, че Айнщайн, както винаги, развали всичко. Проблемът се промъкна от другата страна - отначало учените се объркаха при изчисляването на енергията на топлинните вълни и откриха концепцията за кванти (не забравяйте да прочетете за това в нашата съответна тема ""). И тогава, с помощта на същите тези кванти, Айнщайн нанесе удар на физиката, обяснявайки феномена на фотоелектричния ефект.

Накратко: фотоелектричният ефект (едно от последствията от който е излагането на филм) е избиването на електрони от повърхността на определени материали от светлина. Технически, това избиване се случва, сякаш светлината е частица. Айнщайн нарича светлинна частица квант светлина, а по-късно тя получава име – фотон.

През 1920 г. удивителният ефект на Комптън е добавен към антивълновата теория на светлината: когато електрон е бомбардиран с фотони, фотонът отскача от електрона със загуба на енергия (ние „стреляме“ в синьо, но червеният лети изключен), като билярдна топка от друга. Комптън спечели Нобелова награда за това.

Този път физиците бяха предпазливи да изоставят просто вълновата природа на светлината, но вместо това се замислиха здраво. Науката е изправена пред ужасяваща мистерия: светлината вълна ли е или частица?

Светлината, като всяка вълна, има честота - и това е лесно да се провери. Виждаме различни цветове, защото всеки цвят е просто различна честота на електромагнитна (светлинна) вълна: червеното е ниска честота, лилавото е висока честота.
Но изненадващо: дължината на вълната Видима светлинапет хиляди пъти по-голям от атом - как такова "нещо" се вписва в атом, когато атомът абсорбира тази вълна? Ако само фотонът е частица, сравнима по размер с атом. Голям и малък фотон едновременно ли е?

В допълнение, фотоелектричният ефект и ефектът на Комптън ясно доказват, че светлината все още е поток от частици: не може да се обясни как една вълна пренася енергия към електрони, локализирани в пространството - ако светлината беше вълна, тогава някои електрони биха били изхвърлени по-късно отколкото други, и явлението Не бихме наблюдавали фотоелектричния ефект. Но в случай на поток, един фотон се сблъсква с един електрон и при определени условия го избива от атома.

В резултат на това беше решено: светлината е едновременно вълна и частица. Или по-скоро нито едното, нито другото, а нова непозната досега форма на съществуване на материята: явленията, които наблюдаваме, са само проекции или сенки на реалното състояние на нещата, в зависимост от това как гледате на случващото се. Когато погледнем сянката на цилиндър, осветен от едната страна, виждаме кръг, а когато осветим от другата страна, виждаме правоъгълна сянка. Така е и с вълновото представяне на светлината от частици.

Но и тук всичко не е лесно. Не можем да кажем, че считаме светлината или за вълна, или за поток от частици. Погледни през прозореца. Изведнъж дори в чисто измито стъкло виждаме собственото си отражение, макар и размазано. Каква е уловката? Ако светлината е вълна, тогава е лесно да се обясни отражението в прозорец - виждаме подобни ефекти върху водата, когато вълна се отразява от препятствие. Но ако светлината е поток от частици, тогава отражението не може да се обясни толкова лесно. В крайна сметка всички фотони са еднакви. Но ако всички те са еднакви, то преградата под формата на прозоречно стъкло би трябвало да има същия ефект върху тях. Или всички преминават през стъклото, или всички се отразяват. Но в суровата реалност някои от фотоните прелитат през стъклото и ние виждаме съседната къща и веднага виждаме нашето отражение.

И единственото обяснение, което идва на ум: фотоните са сами. Невъзможно е да се предвиди със сто процента вероятност как ще се държи даден фотон - дали ще се сблъска със стъклото като частица или като вълна. Това е основата на квантовата физика - напълно, абсолютно произволно поведение на материята на микрониво без никаква причина (а в нашия свят на големи количества от опит знаем, че всичко си има причина). Това е перфектен генератор на случайни числа, за разлика от хвърлянето на монета.

Гениалният Айнщайн, който открива фотона, до края на живота си е убеден, че квантовата физика греши, и уверява всички, че „Бог не играе на зарове“. Но съвременна наукавсе повече и повече потвърждава: той все още играе.

По един или друг начин един ден учените решиха да сложат край на дебата „вълна или частица“ и да възпроизведат опита на Юнг, като вземат предвид технологиите на 20-ти век. По това време те се бяха научили да изстрелват фотони един по един (квантови генератори, известни сред населението като „лазери“) и затова беше решено да се провери какво ще се случи на екрана, ако се изстреля една частица в два процепа: най-накрая ще стане ясно какво представлява материята при контролирани експериментални условия.

И изведнъж - единичен квант светлина (фотон) показа интерференчен модел, тоест частицата прелетя през двата процепа едновременно, фотонът се намеси сам в себе си (научно казано). Нека да изясним техническия момент - всъщност интерференционната картина се показва не от един фотон, а от поредица от изстрели на една частица на интервали от 10 секунди - с течение на времето ресните на Йънг, познати на всеки студент C от 1801 г., се появяват на екрана.

От гледна точка на вълната това е логично - вълната преминава през пукнатините и сега две нови вълни се разминават в концентрични кръгове, припокривайки се.
Но от корпускулярна гледна точка се оказва, че фотонът е на две места едновременно, когато преминава през процепите, и след преминаването им се смесва със себе си. Това по принцип е нормално, а?
Оказа се, че е нормално. Освен това, тъй като фотонът е в два процепа едновременно, това означава, че той е едновременно навсякъде както преди процепите, така и след прелитането им. И като цяло, от гледна точка на квантовата физика, освободеният фотон между старта и финала е едновременно „навсякъде и наведнъж“. Физиците наричат ​​такава частица, намираща се „навсякъде едновременно“ суперпозиция - страшна дума, което преди беше математическо удоволствие, сега се превърна във физическа реалност.

Известен Е. Шрьодингер, известен противник на квантовата физика, по това време е изкопал някъде формула, която описва вълновите свойства на материята, като водата. И след като побърниках малко с него, за мой ужас, извадих така наречената вълнова функция. Тази функция показва вероятността за намиране на фотон на определено място. Имайте предвид, че това е вероятност, а не точно местоположение. И тази вероятност зависеше от квадрата на височината на квантовия вълнов гребен на дадено място (ако някой се интересува от подробностите).

Ще посветим отделна глава на въпросите за измерване на местоположението на частиците.

Допълнителни открития показаха, че нещата с дуализма са още по-лоши и по-мистериозни.
През 1924 г. някой си Луи де Бройл каза, че вълново-корпускулярните свойства на светлината са върхът на айсберга. И всички елементарни частици имат това непонятно свойство.
Тоест не само частиците са частица и вълна едновременно електромагнитно поле(фотони), но също и материални частици като електрони, протони и др. Цялата материя около нас на микроскопично ниво е вълна(и частици в същото време).

И няколко години по-късно това дори беше потвърдено експериментално - американците задвижваха електрони в електронно-лъчеви тръби (които са известни на днешните стари пердахи под името "кинескоп") - и така наблюденията, свързани с отражението на електроните, потвърдиха, че електрон също е вълна (за по-лесно разбиране можете да кажете, че са поставили плоча с два прореза по пътя на електрона и са видели интерференцията на електрона такава, каквато е).

Към днешна дата експериментите са открили, че атомите също имат вълнови свойства и дори някои специални видовемолекули (така наречените "фулерени") се проявяват като вълна.

Любознателният ум на читателя, който още не е зашеметен от нашата история, ще попита: ако материята е вълна, тогава защо например летяща топка не се размазва в пространството под формата на вълна? Защо реактивният самолет изобщо не прилича на вълна, а е много подобен на реактивен самолет?

Де Бройл, дяволът, обясни всичко тук: да, летяща топка или боинг също е вълна, но дължината на тази вълна е по-къса, толкова по-голям е импулсът. Импулсът е масата по скоростта. Тоест, колкото по-голяма е масата на материята, толкова по-къса е нейната дължина на вълната. Дължината на вълната на топка, летяща със скорост 150 km/h, ще бъде приблизително 0,00 метра. Следователно не можем да забележим как топката се разпространява в пространството като вълна. За нас това е твърда материя.
Електронът е много лека частица и, летейки със скорост от 6000 км/сек, ще има забележима дължина на вълната от 0,0000000001 метра.

Между другото, нека веднага да отговорим на въпроса защо атомното ядро ​​не е толкова „вълнообразно“. Въпреки че се намира в центъра на атома, около който електронът лудо лети и в същото време се размазва, той има приличен импулс, свързан с масата на протоните и неутроните, както и високочестотното трептене (скорост) поради до наличието на постоянен обмен на частици вътре в ядрото силно взаимодействие (прочети темата). Следователно ядрото прилича повече на познатата ни твърда материя. Електронът, очевидно, е единствената частица с маса, която има ясно изразени вълнови свойства, така че всички го изучават с наслада.

Да се ​​върнем към нашите частици. Така се оказва: въртящият се около атом електрон е едновременно частица и вълна. Тоест, частицата се върти, а в същото време електронът като вълна представлява обвивка с определена форма около ядрото - как това изобщо може да бъде разбрано от човешкия мозък?

Вече изчислихме по-горе, че летящ електрон има доста огромна (за микрокосмос) дължина на вълната и за да се побере около ядрото на атома, такава вълна се нуждае от неприлично голямо пространство. Точно това обяснява толкова големите размери на атомите в сравнение с ядрото. Дължините на вълните на електрона определят размера на атома. Празното пространство между ядрото и повърхността на атома се запълва от „настаняването“ на дължината на вълната (и в същото време на частицата) на електрона. Това е много грубо и некоректно обяснение - моля да ни извините - в действителност всичко е много по-сложно, но нашата цел е поне да позволим на хората, които се интересуват от всичко това, да отхапат парче от гранита на науката.

Нека бъдем ясни отново!След няколко коментара върху статията [в YP], осъзнахме какъв важен момент липсва в тази статия. внимание! Формата на материята, която описваме, не е нито вълна, нито частица. То само (едновременно) притежава свойствата на вълната и свойствата на частиците. Не може да се каже, че електромагнитната вълна или електронната вълна е като морските вълни или звуковите вълни. Вълните, които познаваме, представляват разпространението на смущения в пространството, изпълнено с някакво вещество.
Фотоните, електроните и други екземпляри на микрокосмоса, когато се движат в пространството, могат да бъдат описани с вълнови уравнения; тяхното поведение е само ПОДОБНО на вълна, но в никакъв случай не са вълна. Подобно е и с корпускулярната структура на материята: поведението на една частица е подобно на полета на малки точкови топки, но те никога не са топки.
Това трябва да се разбере и приеме, в противен случай всичките ни мисли в крайна сметка ще доведат до търсене на аналози в макрокосмоса и по този начин разбирането на квантовата физика ще приключи и ще започне фриарството или шарлатанската философия, като квантовата магия и материалността. от мисли.

Останалите ужасяващи изводи и последствия от модернизирания експеримент на Юнг ще разгледаме по-късно в следващата част - несигурността на Хайзенберг, котката на Шрьодингер, принципът на изключване на Паули и квантовото заплитане очакват търпеливия и внимателен читател, който ще препрочита нашите статии повече от веднъж и ще се рови чрез интернет в търсене на допълнителна информация.

Благодаря на всички за вниманието. Честито безсъние или когнитивни кошмари на всички!

NB: Усърдно ви напомняме, че всички изображения са взети от Google (търсене по изображения) - авторството се определя там.
Нелегалното копиране на текст се преследва, потиска се, добре, нали знаете...

Типични примери за обекти, показващи поведение на двойна вълна-частица, са електрони и светлина; Принципът е валиден и за по-големи обекти, но по правило колкото по-масивен е обектът, толкова по-слабо се проявяват неговите вълнови свойства (тук не говорим за колективното вълново поведение на много частици, например вълни на повърхността от течност).

Идеята за дуалността на вълната и частицата беше използвана в развитието на квантовата механика за интерпретиране на явления, наблюдавани в микросвета, от гледна точка на класически концепции. В действителност квантовите обекти не са нито класически вълни, нито класически частици, като проявяват свойствата на първите или на вторите само в зависимост от условията на експериментите, които се извършват върху тях. Дуалността вълна-частица е необяснима в рамките на класическата физика и може да бъде интерпретирана само в квантовата механика.

По-нататъшно развитие на концепцията за дуалността вълна-частица беше концепцията за квантуваните полета в квантовата теория на полето.

Де Бройл маха

Принципът на двойствеността на вълната и частицата получава количествен израз в идеята за вълните на де Бройл. За всеки обект, който едновременно проявява вълнови и корпускулярни свойства, има връзка между импулса p (\displaystyle \mathbf (p) )и енергия E (\displaystyle E), присъщи на този обект като частица, и неговите вълнови параметри - вълновия вектор k (\displaystyle \mathbf (k) ), дължина на вълната λ (\displaystyle \lambda), честота ν (\displaystyle \nu ), циклична честота ω (\displaystyle \omega ). Тази връзка се дава от отношенията:

Където ℏ (\displaystyle \hbar )И h = 2 π ℏ (\displaystyle h=2\pi \hbar )- съответно намалена и обикновена константа на Планк. Тези формули са верни за релативистката енергия и импулс.

Вълната на де Бройл се поставя в съответствие с всеки движещ се обект от микросвета; По този начин, под формата на вълни на де Бройл, както леките, така и масивните частици са обект на интерференция и дифракция. В същото време, колкото по-голяма е масата на частицата, толкова по-къса е нейната дължина на вълната на де Бройл при същата скорост и толкова по-трудно е да се регистрират нейните вълнови свойства. Грубо казано, когато взаимодейства със своята среда, обектът се държи като частица, ако дължината на неговата вълна на де Бройл е много по-малка от характерните размери, присъстващи в неговата среда, и като вълна, ако е много по-дълга; междинният случай може да бъде описан само в рамките на една пълноценна квантова теория.

Физическото значение на вълната на де Бройл е следното: квадратът на амплитудата на вълната в определена точка в пространството е равен на плътността на вероятността за откриване на частица в дадена точка, ако се измерва нейната позиция. В същото време, докато не се извърши измерването, частицата всъщност не се намира на някое конкретно място, а е „размазана“ в пространството под формата на вълна на де Бройл.

История на развитието

Въпросите за природата на светлината и материята имат дълга история, но до известно време се смяташе, че отговорите на тях трябва да бъдат недвусмислени: светлината е или поток от частици, или вълна; материята или се състои от отделни частици, които се подчиняват на класическата механика, или е непрекъсната среда.

Привидно установеното вълново описание на светлината се оказва непълно, когато през 1901 г. Планк получава формула за спектъра на излъчване на абсолютно черно тяло, а след това Айнщайн обяснява фотоелектричния ефект, базирайки се на предположението, че светлината с определена дължина на вълната е излъчвани и абсорбирани изключително в определени части. Такава част - квант светлина, по-късно наречен фотон - предава енергия, пропорционална на честотата на светлинната вълна с коефициент h (\displaystyle h)- Константата на Планк. Така се оказа, че светлината проявява не само вълнови, но и корпускулярни свойства.

Принципът на дуалността на вълната и частицата получи по-конкретно и правилно въплъщение във „вълновата механика“ на Шрьодингер, която след това се превърна в съвременна квантова механика.

Двойственост на светлината вълна-частица

Като класически пример за прилагане на принципа на двойствеността вълна-частица, светлината може да се интерпретира като поток от корпускули (фотони), които в много физически ефекти проявяват свойствата на класическите електромагнитни вълни. Светлината проявява вълнови свойства в явленията на дифракция и интерференция в мащаби, сравними с дължината на вълната на светлината. Например дори единиченфотоните, преминаващи през двойния процеп, създават интерференчен модел на екрана, определен от уравненията на Максуел.

Експериментът обаче показва, че фотонът не е кратък импулс на електромагнитно излъчване; например той не може да бъде разделен на няколко лъча чрез оптични разделители на лъчи, както беше ясно показано от експеримент, проведен от френските физици Гранжие, Роджър и Аспе през 1986 г. . Корпускулярните свойства на светлината се проявяват в моделите на равновесно топлинно излъчване, във фотоелектричния ефект и в ефекта на Комптън. Фотонът също се държи като частица, която се излъчва или поглъща изцяло от обекти, чиито размери са много по-малки от неговата дължина на вълната (например атомни ядра), или като цяло може да се счита за точков (например електрон).

Колкото по-къса е дължината на вълната на електромагнитното излъчване, толкова по-големи са енергията и импулсът на фотоните и толкова по-трудно е да се открият вълновите свойства на това излъчване. Например, рентгеновите лъчи се дифрактират само от много „тънка“ дифракционна решетка - кристална решеткатвърдо тяло.

Вълново поведение на големи обекти

Вълново поведение се проявява не само от елементарни частици и нуклони, но и от много други големи обекти- молекули. През 1999 г. за първи път е наблюдавана дифракция на фулерени. През 2013 г. беше постигната дифракция на молекули с тегло над 10 000 amu. , състоящ се от повече от 800 атома всеки.

Въпреки това не е напълно сигурно дали обекти с маса, по-голяма от масата на Планк, могат по принцип да проявяват вълново поведение.

Вижте също

Бележки

1. Думата „корпускула“ означава „частица“ и практически не се използва извън контекста на двойствеността вълна-частица.
2. Герщейн С.С. Двойственост вълна-частица// Физическа енциклопедия : [в 5 тома] / Гл. изд. А. М. Прохоров. - М.: Съветска енциклопедия, 1990. - Т. 2: Качествен фактор - Магнитооптика. - стр. 464-465. - 704 стр. - 100 000 копия. -

И така, микрочастиците имат изключителни свойства. Микрочастици – това са елементарни частици(електрони, протони, неутрони и др.), както и сложни частици,образувани от малък брой елементарни(Чао неделима) частици(атоми, молекули, атомни ядра). Наричайки тези микрочастици частици, ние подчертаваме само едната страна, по-правилно би било да наречем „ частица-вълна».

Микрочастиците не са в състояние да въздействат пряко върху сетивата ни – те не могат да бъдат видени или докоснати. Ние знаем какво ще се случи с голям обект; но точно така микрочастиците не работят! Следователно, когато ги изучавате, човек трябва да прибягва до различни видове абстракции. , развийте въображението си и не опитвайсвържете ги с нашия директен опит.

В към квантова физикаразбиране означава формиране на визуален образ на обект или процес. В квантовата физика не можете да мислите така. Всякакви визуален моделще действа според класическите закони и следователно не е подходящ за представяне на квантови процеси. Например въртенето на електрон в орбита около атом е такова представяне. Това е почит класическа физикаи не отговаря на истинското състояние на нещата, не отговаря на квантовите закони.

Вълните на Луи дьо Бройл, които разгледахме, не са електромагнитни, това са вълни със специален характер.

Нека изчислим дължината на вълната на де Бройл на топка с маса 0,20 kg, движеща се със скорост 15 m/s.

Това е изключително къса дължина на вълната. Дори при изключително ниски скорости, да речем m/s, дължината на вълната на де Бройл би била около м. Дължината на вълната на де Бройл на нормално тяло е твърде малка, за да бъде открита и измерена. Факт е, че типичните вълнови свойства - интерференция и дифракция - се появяват само когато размерите на обектите или процепите са сравними по големина с дължината на вълната. Но ние не знаем обекти и процепи, върху които вълни с дължина на вълната λ биха могли да дифрактират, така че вълновите свойства на обикновените тела не могат да бъдат открити.

Друг е въпросът дали ние говорим заотносно елементарни частицитип електрони. защото масата е включена в знаменателя на формула 3.3.1, която определя дължината на вълната на де Бройл; много малка маса съответства на дълга дължина на вълната.

Нека определим дължината на вълната на де Бройл на електрон, ускорен от потенциална разлика от 100 V.

Госпожица,

От горния пример може да се види, че един електрон може да съответства на дължина на вълната от порядъка на . Въпреки че това са много къси вълни, те могат да бъдат открити експериментално: междуатомните разстояния в кристала са от същия порядък на величина () и равномерно разположените атоми на кристала могат да се използват като дифракционна решетка, както в рентгеново лъчение. Така че, ако хипотезата на Луи дьо Бройл е вярна, тогава, както посочи Айнщайн, за електрони, трябва да се наблюдава явлението дифракция.

Нека да направим почивка за момент и да поставим мисловен експеримент. Нека насочим паралелен лъч от моноенергийни (т.е. имащи същата кинетична енергия) електрони към препятствие с два тесни процепа (фиг. 3.6) и поставим фотографска плака (FP) зад препятствието.

Първо, затворете втория прорез и изложете за известно време T. Почерняването върху обработения FP ще се характеризира с крива 1, фиг. 3.6, б. След това затваряме първия процеп и експонираме втората фотоплака. Характерът на почерняването в този случай се предава от крива 2 (фиг. 3.6, b). Накрая отворете двата процепа и изложете за известно време Tтрета плоча. Моделът на почерняване, получен в последния случай, е показан на фиг. 3.6, c. Тази картина в никакъв случай не е еквивалентна на ситуацията на първите две. Как отварянето на втори процеп може да повлияе на тези електрони, които изглежда са преминали през другия процеп? Получената картина (фиг. 3.6, c) се оказва подобна на картината, получена от интерференцията на две кохерентни светлинни вълни. Характерът на картината показва, че движението на всеки електрон се влияе от двете дупки. Това заключение е несъвместимо с идеята за траекториите. Ако електронът беше във всеки един момент определена точкапространство и се движеше по траектория, щеше да премине през определена дупка – първа или втора. Феноменът на дифракцията доказва, че и двете дупки - първата и втората - участват в преминаването на всеки електрон.

По този начин, дифракция на електрони и други микрочастици доказва валидността на хипотезата на Луи дьо Бройл и потвърждава двойствеността вълна-частица на микрочастиците от материята .