Корпускулярно-волновая природа электрона

В 1923 году французский физик Луи де Бройль, опираясь на идеи Планка и Эйнштейна, предположил, что корпускулярно-волновой дуализм применим не только к излучению, а является фундаментальным свойством материи. Длина волны λ для тела массой m движущегося со скоростью v (v ≪ с) может быть вычислена по формуле:

,

где p – импульс частицы.

Длина волны де Бройля убывает, с ростом массы и скорости частицы. Тело с массой в 1 грамм, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волне де Бройля примерно 6,6·10^-31 метра, что находиться за пределом доступным наблюдению. Для макроскопических тел, таким образом, волновые свойства несущественны. Для электронов же с энергиями от одного до 10000 электрон-вольт λ лежит в пределах от 1 нм до 10^-2 нм, в интервале длин волн рентгеновского излучения. Поэтому волновые свойства электронов должны проявляться при их рассеянии на кристаллах, на которых и наблюдается дифракция рентгеновских лучей.

В модели атома Луи де Бройль постарался учесть волновые свойства электронов. Электроны в его атомах двигаются по орбитам, вмещающим целое число длин волн: 2π r = n λ (n =1,2,3...). Вдоль орбиты электрона существует своеобразная стоячая волна. Разрешенные орбиты отличаются друг от друга на одну длину волны де Бройля (рис.11).

Рисунок 11. Модель атома Луи де Бройля. На каждой стационарной электронной орбите укладывается целое число (n) длин волн.

Через несколько лет идея о волновых свойствах электрона получила экспериментальное подтверждение. Американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся на кристалле никеля, подобно рентгеновскому излучению, дает отчетливую дифракционную картину. Расчет длины волны электрона, по положению дифракционных максимумов показал полное соответствие с формулой Луи де Бройля. Чуть позже Джордж Паджет Томсон, а также независимо от него Петр Савич Тартаковский наблюдали дифракционную картину, возникающую на экране при пропускании электронного пучка через поликристаллическую фольгу из золота (рис.12).

Рисунок 12. Опыт по дифракции электронов на поликристалле.

1 – электронная пушка

2 – золотая фольга

3 –фотоэкран

4 –дифракционная картина

Корпускулярно-волновая природа – фундаментальное свойство фотонов, электронов и остальных объектов субатомного мира. В микромире наши обыденные интуитивные представления о материи и ее поведении неприменимы. Для иллюстрации особенностей квантового мира физик Ричард Фейнман предложил мысленный эксперимент – "интерференция электронов на двух щелях". На пути потока электронов ставится пластинка с двумя щелями и светочувствительный экран. Если считать электроны маленькими заряженными шариками нужно ожидать появление на экране двух засвеченных полос. Однако на экране появляется узор из чередующихся черных и белых полос – интерференционная картина. При этом результат эксперимента не меняется, если пускать электроны через щели поодиночке, в этом случае электрон интерферирует сам с собой. Далее в этом эксперименте появляется «наблюдатель», который хочет посмотреть на путь движения электрона через щель. Допустим, он направляет к отверстиям в пластинке пучок фотонов, ловит столкнувшиеся с электроном фотоны и регистрирует результат.

Появление «наблюдателя», скорее всего, приведет к исчезновению интерференционной картины, на экране будут видны две полосы напротив щелей. Электроны не проявят свою волновую природу под взором «наблюдателя».

Этот опыт был реализован гораздо позже, в 1961 году Клаусом Иенсоном, Пучок электронов пропускался через две щели на медной пластине, после чего на фотопластинке, установленной за ними, наблюдалась интерференционная картина. Для наблюдения за электронами перед одной из щелей был поставлен детектор, регистрирующий событие прохождения электрона сквозь нее. И, как ожидалось, наличие детектора привело к исчезновению интерференционной картины на экране. Электрон стал вести себя как классическая частица, пролетая либо через первую, либо через вторую щель. Если детектор выключали, интерференционная картина восстанавливалась.

Современные ученые смогли показать волновые свойства довольно больших объектов. В начале этого века физики наблюдали дифракцию фуллеренов, фталоцианина и некоторых других крупных молекул.