Карпускулярна-хвалевы дуалізм

Шаблон:Фізічная тэорыя Карпускуля́рна-хва́левы дуалі́зм — уласцівасць мікрааб'ектаў (напрыклад, электронаў, нейтронаў, фатонаў), паводле якой іх свабодны рух адбываецца на законах распаўсюджвання хваль, а ўзаемадзеянне — па законах сутыкнення часціц (карпускул).

Гіпотэзу аб універсальнасці дуалізму прапанаваў у 1923 годзе Луі дэ Бройль. Пазней, на аснове ідэй дэ Бройля, Эрвін Шродзінгер увёў паняцце хвалевай функцыі і пабудаваў хвалевую механіку, у аснове якой ляжыць ураўненне Шродзінгера, атрыманае ў выніку абагульнення вопытных дадзеных.

У сучаснай тэарэтычнай фізіцы прынцып дуальнасці лічыцца састарэлым, бо (як і мадэль атама Бора) апісвае квантава-механічныя аб'екты цераз паняцці класічнай фізікі: часціцы і хвалі.

Цяпер ў квантавай фізіцы распрацаваны ўласны фармалізм, які дазваляе апісваць адначасовую наяўнасць карпускулярных і хвалевых уласцівасцей без выкарыстання класічных паняццяў.

Аднак, для навукова-папулярных і навучальных мэт прынцып карысны і цяпер, бо дазваляе наглядна і даступна растлумачыць, як паводзяць сябе мікрааб'екты.

Як класічны прыклад, святло можна трактаваць як паток карпускул (фатонаў), якія ў многіх фізічных эфектах праяўляюць ўласцівасці электрамагнітных хваляў. Святло дэманструе ўласцівасці хвалі ў з'явах дыфракцыі і інтэрферэнцыі пры маштабах, параўнальных з даўжынёй светлавой хвалі. Напрыклад, нават адзінкавыя фатоны, якія праходзяць праз двайную шчыліну, ствараюць на экране інтэрферэнцыйную карціну, якая вызначана ўраўненнямі Максвела. Характар вырашанай задачы дыктуе выбар ўжыванага падыходу: карпускулярнага (фотаэфект, эфект Комптана), хвалевага ці тэрмадынамічнага.

Гісторыя

Дуалізм выяўлены для святла ў канцы 19 — пач. 20 ст.: доследы па інтэрферэнцыі, дыфракцыі і палярызацыі святла сведчылі пра яго хвалевую прыроду. Вывучэнне асаблівасцей узаемадзеяння святла з рэчывам (фотаэфект, эфект Комптана і інш.) паказала, што святло праяўляе ўласцівасці патоку часціц з пэўнымі значэннямі энергіі і імпульсу.

Французскі вучоны Луі дэ Бройль (1892—1987) выказаў у 1923 годзе гіпотэзу пра універсальнасць карпускулярна-хвалевага дуалізму. Ён сцвярджаў, што не толькі фатоны, але і электроны і кожныя іншыя часціцы маюць як карпускулярныя, так і хвалевыя ўласцівасці.

Доказы існавання хвалевых уласцівасцей электронаў (гл. хвалі дэ Бройля) атрыманы ў 1927 годзе амерыканскімі вучонымі К. Дэвісанам і Шаблон:Нп4 пры назіранні інтэрферэнцыйнай карціны адбіцця электронаў ад монакрышталяў нікелю.

Выяўленыя інтэрферэнцыйныя эфекты пратонаў, нейтронаў, атамных пучкоў гелію, малекул вадароду і інш.

Карпускулярна-хвалевая дваістасць святла

Такія з'явы, як інтэрферэнцыя і дыфракцыя святла, пераканаўча сведчаць пра хвалевую прыроду святла. Тым жа часам заканамернасці раўназначнага цеплавога выпраменьвання, фотаэфекту і эфекту Комптана можна паспяхова вытлумачыць з класічнага пункту гледжання толькі на аснове ўяўленняў пра святло, як пра паток дыскрэтных фатонаў. Аднак хвалевыя і карпускулярныя спосабы апісання святла не супярэчаць, а ўзаемна дапаўняюць адзін другога, бо святло адначасова мае і хвалевыя, і карпускулярныя ўласцівасці.

Хвалевыя ўласцівасці святла гуляюць вызначальную ролю ў заканамернасцях яго інтэрферэнцыі, дыфракцыі, палярызацыі, а карпускулярныя — у працэсах ўзаемадзеяння святла з рэчывам. Чым больш даўжыня хвалі святла, тым менш імпульс і энергія фатона і тым цяжэй выявіць карпускулярныя ўласцівасці святла. Напрыклад, знешні фотаэфект адбываецца толькі пры энергіях фатонаў, вялікіх ці роўных працы выхаду электрона з рэчыва. Чым менш даўжыня хвалі электрамагнітнага выпраменьвання, тым больш энергія і імпульс фатонаў і тым цяжэй выявіць хвалевыя ўласцівасці гэтага выпраменьвання. Напрыклад, рэнтгенаўскае выпраменьванне дыфрагіруе толькі на вельмі «тонкай» дыфракцыйнай рашотцы — крышталічнай рашотцы цвёрдага цела.

Хвалі дэ Бройля

Фізіка атамаў, малекул і іх калектываў, у прыватнасці крышталяў, а таксама атамных ядраў і элементарных часціц вывучаецца ў квантавай механіцы. Квантавыя эфекты з'яўляюцца значнымі, калі характэрнае значэнне дзеяння (здабытак характэрнай энергіі на характэрны час або характэрны імпульс робіцца параўнальным з $\hslash$ (пастаянная Планка). Калі часціцы рухаюцца са скарасцямі шмат менш за скорасць святла ў вакууме $c$, то прымяняецца нерэлятывісцкая квантавая механіка; пры скарасцях блізкіх да скорасці святла — рэлятывісцкая квантавая механіка.

У аснове квантавай механікі ляжаць ўяўленні Планка пра дыскрэтны характар змены энергіі атамаў, Эйнштэйна пра фатоны, дадзеныя пра квантаванасці некаторых фізічных велічынь (напрыклад, імпульсу і энергіі), якія характарызуюць ў пэўных умовах станыу часціц мікрасвету.

Дэ Бройль высунуў ідэю пра тое, што хвалевы характар распаўсюджвання, выяўлены для фатонаў, мае ўніверсальны характар. Ён павінен выяўляцца для любых часціц, якія маюць імпульс $p$. Усе часціцы, якія маюць канечны імпульс $p$, маюць хвалевыя ўласцівасці, у прыватнасці, схільныя да інтэрферэнцыі і дыфракцыі.

Формула дэ Бройля вызначае залежнасць даўжыні хвалі $\lambda$, звязанай з часціцай рэчыва, якая рухаецца, ад імпульсу $p$ часціцы:

$\lambda =\frac{h}{p}=\frac{h}{mv},$

дзе $m$ — маса часціцы, $v$ — яе скорасць, $h$ — пастаянная Планка. Хвалі, пра якіх ідзе гаворка, называюць хвалямі дэ Бройля.

Іншы выгляд формулы дэ Бройля:

$𝐩=\frac{h}{2\pi }𝐤=\hslash 𝐤,$

дзе $𝐤=\frac{2\pi }{\lambda }𝐧$ — хвалевы вектар, модуль якога $k=\frac{2\pi }{\lambda }$ — хвалевы лік — значыць лік даўжынь хваль, якія ўкладваюцца на $2\pi$ адзінках даўжыні, $𝐧$ — адзінкавы вектар у кірунку распаўсюджвання хвалі, $\hslash =\frac{h}{2\pi }=1,05\cdot 10^{-34}$ Дж · с.

Даўжыня хвалі дэ Бройля для нерэлятывісцкай часціцы з масай $m$, якая мае кінэтычную энергію $W_k$

$\lambda =\frac{h}{\sqrt{2m{W}_k}}.$

У прыватнасці, для электрона, што паскараецца ў электрычным полі з рознасцю патэнцыялаў $\mathrm{\Delta }\phi$ вольт

$\lambda =\frac{12,25}{\sqrt{\mathrm{\Delta }\phi }}\stackrel{\circ }{\mathrm{A}}.$

Формула дэ Бройля эксперыментальна пацвярджаецца вопытамі па рассейванні электронаў і іншых часціц на крышталях і па праходжанні часціц скрозь рэчывы. Прыкметай хвалевага працэсу ва ўсіх такіх вопытах з'яўляецца дыфракцыйная карціна размеркавання электронаў (або іншых часціц) у прыёмніках часціц.

Хвалевыя ўласцівасці не праяўляюцца ў макраскапічных цел. Даўжыні хваль дэ Бройля для такіх цел настолькі малыя, што выяўленне хвалевых уласцівасцей аказваецца немагчымым. Урэшце, назіраць квантавыя эфекты можна і ў макраскапічным маштабе, асабліва яркім прыкладам гэтага служаць звышправоднасць і звышцякучасць.

Фазавая скорасць хваляў дэ Бройля свабоднай часціцы

$v_f=\frac{\omega }{k}=\frac{E}{p}=\frac{m{c}^2}{mv}=\frac{c^2}{v}\simeq \frac{c^2}{h}m\lambda =\frac{c^2{p}^2}{2Wh}\lambda ,$

дзе $\omega =2\pi \nu$ — цыклічная частата, $W$ — кінэтычная энергія свабоднай часціцы, $E$ — поўная (рэлятывісцкая) энергія часціцы, $p=\frac{mv}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}$ — імпульс часціцы, $m$, $v$ — яе маса і скорасць адпаведна, $\lambda$ — даўжыня дэбройлеўскай хвалі. Апошнія суадносіны — нерэлятывісцкай набліжэнне. Залежнасць фазавай скорасці дэбройлеўскіх хваляў ад даўжыні хвалі паказвае на тое, што гэтыя хвалі адчуваюць дысперсію. Фазавая скорасць $v_f$ хвалі дэ Бройля хоць і больш за скорасць святла, але адносіцца да ліку велічынь, прынцыпова няздольных пераносіць інфармацыю (з'яўляецца чыста матэматычным аб'ектам).

Гл. таксама

• Хваля дэ Бройля
• Хвалевая функцыя
• Ураўненне Шродзінгера

Літаратура

• Карпускулярна-хвалевы дуалізм // Шаблон:Крыніцы/БелЭн С. 97.
• Революция в физике (Новая физика и кванты). — 2-е изд. — М: Атомиздат, 1965. — 232 с.

Спасылкі

• Крыху пра хвалевыя ўласцівасці футбольнага мячаШаблон:Недаступная спасылка // Belquant — квантавая фізіка па-беларуску