Открытие двойственной природы электромагнитного излучения -корпускулярно-волнового дуализма – оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи. Важным этапом в становлении современного понимания структуры материи стала выдвинутая де Бройлем гипотеза об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Де Бройль предположил, что каждой частице, движущейся с импульсом р, следует приписать определённую длину волны (дебройлевская длина волны). Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, те же, что были установлены ранее для фотонов:
. (1.6)
Комптоновское рассеяние – это такое рассеяние электромагнитного излучения на свободных или слабо связанных электронах, которое сопровождается увеличением длины волны кванта (уменьшение энергии).
(1.7) | |
Рис. 1.1. Векторная диаграмма комптоновского рассеяния. |
Из уравнений (1,7) следует
|
|
Отсюда получаем: , и
;
(1.8)
Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты по дифракции электронов на монокристаллах. Позднее наблюдалась дифракция и других частиц. Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа их описания. Для классических материальных точек характерно движение по определённым траекториям, так что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с её длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Если частица занимает точно определённое положение в пространстве, то её импульс полностью неопределён, и, наоборот, частица с определённым импульсом имеет полностью неопределённую координату. Неопределённость в значении координаты частицы Dx и неопределённость в значении компоненты импульса частицы Dpx связаны соотношением неопределённостей, установленным В. Гейзенбергом в 1927 г.
, где h - постоянная Планка. (1.9)
Из принципа неопределённостей следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики, и в частности не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно. Так, если время жизни некоторого состояния равно Dt, то его энергия не может быть измерена с точностью, большей, чем DE» h/Dt. Записанное в другой, эквивалентной форме,
|
|
, (1.10)
Это соотношение обычно называют соотношением неопределённостей энергии - время.