Волновые свойства частиц

В некоторых ситуациях частицы проявляют волновые свойства, а волны — свойства частиц. Взаимоисключаю­щие в классической физике понятия «волна» и «частица» в квантовой теории оказались не столь простыми.

Если событие, произошедшее в точке A в некоторый момент времени, является причиной события в точке B в последую­щий момент времени, то это значит, что из точки A в точку B прибыла либо некоторая частица, либо волна.

Волна и частица — понятия классической физики, имеющие вполне определенный смысл. Частица — это локализованный в пространстве объект, перемещаю­щийся с определенной скоростью вдоль некоторой кривой (траектории). Волна — распространение воз­мущения состояния некоторой сплошной среды или поля. Волна не обладает определенной локализацией и траекторией (она «размазана» в пространстве).

В микромире деление на волны и частицы оказывается не таким однозначным. Объекты, которые по всем прочим при­знакам следует считать частицами, проявляют волновые свойства, а возмущения поля, которые в классической физи­ке считались бы волнами, обладают свойствами частиц. Когда говорят, что частицы проявляют волновые свойства, то под этим понимают следующее.

Исходное представление классической механики о частице как точечном объекте, перемещающем­ся вдоль определенной траектории, в микромире оказалось неприменимо. В некоторых ситуациях понятие траектория час­тицы теряет смысл.

Пусть поток частиц (для определенности — электро­нов), исходящий из удаленного источника, падает на непрозрачный экран с достаточно узкой щелью. За эк­раном находится другой экран, и на нем регистрируют­ся места попаданий частиц, прошедших через щель (для электронов это может быть экран типа экрана те­левизора — при попадании на него электрона происхо­дит точечная световая вспышка).

Прохождение частиц (от источника S’) через щель. (На экране за щелью изображено распределение большего числа частиц, прошедших через щель.)

Ожидаемое распределение частиц, прошедших через две щели (распределения складываются)

Фактическое распределение частиц, прошедших через две щели. (В точку A попадают частицы от каждой открытой в отдельности щели, но не попадают при двух открытых щелях.)

Проходя через щель, частицы могут рассеиваться, взаимо­действуя с краями щели, в результате чего распределение частиц на экране за щелью (яркость свечения в случае электронов) должно иметь вид, представленный на рисунке (на графике изображена величина, пропорциональная числу частиц, попавших на единицу площади эк­рана в данном месте экрана). Так и получает­ся на самом деле.

Усложним эксперимент. Сделаем две щели.

Классическая физика и здравый смысл пред­сказывают, что распределения от обеих ще­лей сложатся, и результирующее распреде­ление будет иметь вид, представленный на рисунке.

На самом деле распределение будет иметь вид, показанный на следующем рисунке. Это распределение замечательно тем, что на экране имеются точки (например, точка A), в ко­торые попадают частицы, пройдя любую щель (при закры­той другой), но при открытых двух щелях не попадают. Можно предположить, что такое распределение есть резуль­тат какого-то взаимодействия между частицами, прошедшими через обе щели. Это предположение может быть проверено экспериментально. Взаимодействие будет исключено, если по­ток частиц от источника сделать настолько слабым, что в каж­дый момент времени в пространстве между ще­лями и экраном будет находиться не более одной частицы. При этом частицы на экране бу­дут регистрироваться в разных точках (случай­ных, на первый взгляд), но если отследить доста­точно большое число частиц, то получим то же самое распределение! Распределения от двух щелей не складываются.

Частица, проходя через любую из щелей, по­падает в точку A. Но при двух открытых ще­лях она туда не попадает.

У каждой щели можно поставить устройство (например, микроскоп), позволяющее фикси­ровать прохождение частицы через щель. Теперь, кроме эк­рана со щелями имеются уст­ройства, взаимодействующие с частицами в области щели. Материал с сайта http://worldof.school

И в этом случае если частица обнаруживается в одной ще­ли, то в другой ее нет. Частица не раздваивается. Картина на рисунке похожа на интерфе­ренцию волн от двух когерент­ных источников. Именно это имеют в виду, когда говорят, что частицы проявляют вол­новые свойства.

Волновые свойства час­тиц делают непримени­мым язык классической механики. В ситуациях, в которых становятся су­щественными волновые свойства частиц, понятие траектория частицы теря­ет смысл. В этом случае рушится вся схема клас­сической механики. Нет траектории — нет скоро­сти, нет скорости — нет ус­корения, нет ускорения — не к чему применять вто­рой закон Ньютона.

На этой странице материал по темам:

• Доклад про волновые свойства частиц

• Закон де бройля длина волны