Свет волна или частица?

Корпускулярно-волновой дуализм

Квантовая механика

Δ x ⋅ Δ p x ⩾ ℏ 2 {\displaystyle \Delta x\cdot \Delta p_{x}\geqslant {\frac {\hbar }{2}}}

Введение
Математические основы

Основа

Фундаментальные понятия

Эксперименты

Развитие теории

Сложные темы

Известные учёные

Планк · Эйнштейн · Шрёдингер · Гейзенберг · Йордан · Бор · Паули · Дирак · Фок · Борн · де Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверетт

См. также: Портал:Физика

Корпускулярно-волновой дуализм (или квантово-волновой дуализм) — свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства классических волн, а при других — свойства классических частиц.

Типичные примеры объектов, проявляющих двойственное корпускулярно-волновое поведение — электроны и свет; принцип справедлив и для более крупных объектов, но, как правило, чем объект массивнее, тем в меньшей степени проявляются его волновые свойства (речь здесь не идёт о коллективном волновом поведении многих частиц, например, волны на поверхности жидкости).

Идея о корпускулярно-волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В действительности квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, проявляя свойства первых или вторых лишь в зависимости от условий экспериментов, которые над ними проводятся. Корпускулярно-волновой дуализм необъясним в рамках классической физики и может быть истолкован лишь в квантовой механике.

Дальнейшим развитием представлений о корпускулярно-волновом дуализме стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

Волны де Бройля

Основная статья: Волны де Бройля

Количественное выражение принцип корпускулярно-волнового дуализма получает в идее волн де Бройля. Для любого объекта, проявляющего одновременно волновые и корпускулярные свойства, имеется связь между импульсом p {\displaystyle \mathbf {p} } и энергией E {\displaystyle E} , присущими этому объекту как частице, и его волновыми параметрами — волновым вектором k {\displaystyle \mathbf {k} } , длиной волны λ {\displaystyle \lambda } , частотой ν {\displaystyle \nu } , циклической частотой ω {\displaystyle \omega } . Эта связь задаётся соотношениями:

p = ℏ k ; | p | = h / λ , {\displaystyle \mathbf {p} =\hbar \mathbf {k} ;\ |\mathbf {p} |=h/\lambda ,}E = ℏ ω = h ν , {\displaystyle E=\hbar \omega =h\nu ,}

где ℏ {\displaystyle \hbar } и h = 2 π ℏ {\displaystyle h=2\pi \hbar } — редуцированная и обычная постоянная Планка, соответственно. Эти формулы верны для релятивистских энергии и импульса.

Волна де Бройля ставится в соответствие любому движущемуся объекту микромира; таким образом, в виде волн де Бройля и свет, и массивные частицы подвержены интерференции и дифракции. В то же время чем больше масса частицы, тем меньше её дебройлевская длина волны при той же скорости, и тем сложнее зарегистрировать её волновые свойства. Грубо говоря, взаимодействуя с окружением, объект ведёт себя как частица, если длина его дебройлевской волны много меньше характерных размеров, имеющихся в его окружении, и как волна — если много больше; промежуточный случай может быть описан только в рамках полноценной квантовой теории.

Физический смысл волны де Бройля таков: квадрат модуля амплитуды волны в определённой точке пространства равен плотности вероятности обнаружения частицы в данной точке, если будет проведено измерение её положения. В то же время, пока измерение не проведено, частица в действительности не находится в каком-либо одном конкретном месте, а «размазана» по пространству в виде дебройлевской волны.

Идея волны де Бройля как эмпирическая закономерность помогает делать общие выводы о том, будут ли в той или иной ситуации проявляться волновые свойства массивных частиц, и получать количественные оценки в простых случаях — например, оценить ширину дифракционных полос при дифракции электронов. Но эта идея не описывает реальность непосредственно и не позволяет полностью правильно описать поведение частиц с учётом всех основных эффектов квантовой механики (например, квантовая запутанность). Поэтому в основе математического описания (нерелятивистской) квантовой механики лежит другой, более корректно и строго определённый объект с похожим смыслом — волновая функция.

История развития

Основная статья: История квантовой механики

Вопросы о природе света и вещества имеют многовековую историю, однако до определённого времени считалось, что ответы на них обязаны быть однозначными: свет — либо поток частиц, либо волна; вещество либо состоит из отдельных частиц, подчиняющихся классической механике, либо представляет собой сплошную среду.

Атомно-молекулярное учение на протяжении своего развития долго оставалось в статусе лишь одной из возможных теорий, однако к концу XIX века существование атомов и молекул уже не вызывало сомнений. В 1897 году Томсон экспериментально обнаружил электрон, а в 1911 году Резерфорд открыл ядро атома. Была разработана боровская модель атома, в которой электрон подразумевался точечной или очень малой частицей. Однако модель Бора была не вполне последовательна, требовалась другая теория.

Что же касается света, то корпускулярная теория света, представляющая световой луч как поток отдельных частиц, была популярна в Новое время — самым известным из её сторонников был внёсший большой вклад в изучение света Исаак Ньютон. Однако в XIX веке были сформулированы принцип Гюйгенса — Френеля и затем уравнения Максвелла, прекрасно описывавшие свет как волну, состоящую из колебаний электромагнитного поля. Взаимодействие электромагнитой волны с веществом успешно описывалось классической теорией поля.

Казавшееся устоявшимся волновое описание света оказалось неполным, когда в 1901 году Планк получил формулу для спектра излучения абсолютно чёрного тела, а затем Эйнштейн объяснил фотоэффект, опираясь на предположение, что свет с определённой длиной волны излучается и поглощается исключительно определёнными порциями. Такая порция — квант света, позднее названный фотоном — переносит энергию, пропорциональную частоте световой волны с коэффициентом h {\displaystyle h} — постоянная Планка. Таким образом, оказалось, что свет проявляет не только волновые, но и корпускулярные свойства.

Французский учёный Луи де Бройль (1892—1987), развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E {\displaystyle E} и импульс p {\displaystyle p} , а с другой стороны — волновые характеристики — частота и длина волны.

Более конкретное и корректное воплощение принцип корпускулярно-волнового дуализма получил в «волновой механике» Шрёдингера, которая затем превратилась в современную квантовую механику.

Вскоре Джордж Томсон и Клинтон Джозеф Дэвиссон с Лестером Джермером независимо обнаружили дифракцию электронов, дав тем самым убедительное подтверждение реальности волновых свойств электрона и правильности квантовой механики.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 году советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Трактовку корпускулярно-волнового дуализма в русле квантовой механики дал физик В. А. Фок (1898—1974):

Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно.

Ричард Фейнман в ходе построения квантовой теории поля развил общепризнанную сейчас формулировку через интегралы по траекториям, которая не требует использования классических понятий «частицы» или «волны» для описания поведения квантовых объектов.

Корпускулярно-волновой дуализм света

Как классический пример применения принципа корпускулярно-волнового дуализма, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства классических электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, даже одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.

Тем не менее, эксперимент показывает, что фотон не есть короткий импульс электромагнитного излучения, например, он не может быть разделён на несколько пучков оптическими делителями лучей, что наглядно показал эксперимент, проведённый французскими физиками Гранжье, Роже и Аспэ в 1986 году. Корпускулярные свойства света проявляются в закономерностях равновесного теплового излучения, при фотоэффекте и в эффекте Комптона. Фотон ведёт себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами), или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решётке — кристаллической решётке твёрдого тела.

Примечания

  1. Слово «корпускула» означает «частица» и вне контекста корпускулярно-волнового дуализма практически не используется.
  2. Герштейн С. С. Корпускулярно-волновой дуализм // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — С. 464—465. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  3. 1 2 3 Фок, В. А. Об интерпретации квантовой механики / В. А. Фок // Успехи физических наук. –– 1957. –– Т. 62, № 8. С. 466
  4. 1 2 Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — С. 17-18
  5. Гальцов Д. В. Корпускулярно-волновой дуализм // Физический энциклопедический словарь. — под ред. А. М. Прохорова — М., Большая Российская энциклопедия, 2003. — ISBN 5-85270-306-0. — Тираж 10000 экз. — с. 312
  6. А. С. Давыдов. §1. Введение. §2. Волновая функция свободно движущейся частицы // Квантовая механика. — Изд. 2-е. — Наука, 1973.
  7. Волны де Бройля — статья из Физической энциклопедии
  8. Фейнман Р., Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. — М., 1968. — 384 с.
  9. Taylor, G. I. (1909). “Interference fringes with feeble light”. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 15: 114—115.
  10. Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences
  11. Markus Arndt, Olaf Nairz, Julian Vos-Andreae, Claudia Keller, Gerbrand van der Zouw & Anton Zeilinger (14 October 1999). “Wave–particle duality of C60”. Nature. 401 (6754): 680—682. Bibcode:1999Natur.401..680A. DOI:10.1038/44348. PMID 18494170.
  12. Sandra Eibenberger, Stefan Gerlich, Markus Arndt, Marcel Mayor and Jens Tüxen (2013). “Matter–wave interference of particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu”. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (35): 14696—14700. arXiv:1310.8343. Bibcode:2013PCCP…1514696E. DOI:10.1039/c3cp51500a. PMID 23900710.
  13. Peter Gabriel Bergmann, The Riddle of Gravitation, Courier Dover Publications, 1993 ISBN 0-486-27378-4

Свет — это волна или частица?

Свет — это и волна, и частица. Такое свойство материи (не только света) известно как «корпускулярно-волновой дуализм».

Штука в том, что природа устроена несколько сложнее, чем это мог вообразить себе человек в то время, когда создавался язык. Поэтому и в языке, и в человеческом мышлении (а они тесно друг с другом связаны) понятия, описывающие внешний наблюдаемый мир, сформировались давно и утвердились прочно. Человек с давних времен привык, что волна — это волна. А частица — это частица. Камень никак не может быть волной. Оно может вызывать волну, это да, но чтоб сам камень и был волной?! Да не, чушь какая-то…

Природе, правда, эти сложности человеческого восприятия по барабану. У неё свои законы. И по этим законам объекты обладают свойствами и волн, и частиц. Точнее будет сказать так: объекты проявляются себя как частицы или как волны в зависимости от условий, в которых мы, люди, проводим свои наблюдения. Ещё раз: это не то чтоб они становились то лягушкой, то царевной. Это они нам показывают либо один свой облик, либо другой.

Поэтому если мы смотрим на бензиновую плёнку на луже воды, мы видим проявление одной стороны света — волновой. Если мы ту же плёнку фотографируем цифровой камерой, мы (в камере) сталкиваемся уже с другой стороной тех хе самых фотонов — корпускулярной. Если мы потом эту картинку с камеры передадим на экран кинескопа, старого доброго кинескопа, — мы увидим проявление копускулярной природы электроны. А елси мы захотим «разобрать» матрицу фотоаппарата и посмотреть, как в ней слои чередуются, то те же электроны предстану волнами, потому что рассмотреть на сколе слой подзатворного окисла (десяток нанометров) можно только на электронном микроскопе, в котором именно волновые свойства электронов (то есть их способность проявлять и волновую сторону своей сложной природы) дают возможность строить изобрежение объекта.

Что такое свет —волны или частицы?

Но что же в таком случае представляет собой свет — волны или частицы?

После открытия фотоэффекта этот вопрос казался окончательно запутанным и противоречивым. В прежние времена споры о природе света были ясными. Ньютон и его последователи считали, что свет — это корпускулы, т. е. частицы, а не волны. Иначе как же объяснить прямолинейность распространения света? Ломоносов, Эйлер, Юнг, Френель, а за ними все физики середины XIX века пришли к выводу, что свет — это волны, а не корпускулы. Физики нашли способ объяснить, исходя из волновой точки зрения, почему свет распространяется прямолинейно, и даже показали, что это не всегда так бывает; например, в явлениях дифракции свет огибает препятствия, как это делает и звук, только препятствия должны быть для этого очень малы, сравнимы с длиной волны света.

Словом, в прежние времена волновая точка зрения исключала корпускулярную, и наоборот. Казалось разумным отстаивать либо одну, либо другую из них. Но никто не отстаивал обе точки зрения одновременно.

Теперь дело обстояло иначе. Было ясно, что свет обладает волновыми свойствами. Об этом говорят опыты по интерференции и по дифракции света. Но также ясно и то, что свет обладает корпускулярными свойствами. Об этом говорят опыты по фотоэффекту. И те и другие опыты совершенно достоверны и неопровержимы. И выводы из тех и других опытов совершенно определенны: из первых следует, что свет обладает волновыми свойствами, а из вторых—что свет обладает корпускулярными свойствами.

Выходит, что все прежние представления о свете были односторонними; они подмечали только ту или иную его сторону и не видели все свойства света в их единстве. Ныне, в итоге многовекового развития физики, в результате тщательной опытной проверки, мы вправе сделать заключение: свет, т. е. электромагнитные излучения, является одной из форм материи, обладающей одновременно и свойствами частиц и свойствами волн.

Французский физик Луи де-Бройль (родился в 1892 году) высказал предположение, что это положение справедливо не только для одной формы материи — электромагнитных излучений, но и для другой — вещества, и можно ожидать, что поток микрочастиц вещества будет обладать волновыми свойствами. В 1927 году американские физики Дэвисон и Джермер проверили это предположение. Они направили поток электронов на кристаллическую решетку и получили на экране типично волновую интерференционную картину. Так было установлено, что поток микрочастиц обладает не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Если в случае света представления развивались от волновых к корпускулярным, то в случае вещества наоборот — от корпускулярных к волновым.

Таким образом, в XX веке физика показала, что любое одностороннее представление о свойствах природы оказывается неправильным.

Необходимо указать, что открытие фотонных свойств света ни в коей мере не означает возврата к ньютонианским представлениям о свете как о потоке частиц (корпускул). Новые представления о свете значительно более сложны, они точнее отражают объективные свойства света. Фотоны — это не корпускулы Ньютона; их отличает от корпускул Ньютона уже то, что фотонные свойства являются лишь одной стороной света, другой неотрывной стороной которого являются его волновые свойства.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Скачать: |pdf| |doc| |epub| |fb2| |иллюстрации|

На одном из КС рассматривалась вторая часть статьи «Диалектика, как ключ Познания» Кондракова И.М. и Шариповой С.Н. «Волновая модель эволюции систем». Для лучшего понимания всего материала, участникам КС было предложено домашнее задание, решить которое необходимо было с помощью предложенного в статье алгоритма анализа развития систем.

Домашнее задание: Общепринято, что свет — это электромагнитная волна, и в то же время — это квант, частица, сгусток энергии. Представьте себе, что электрон «перешел» с одной орбиты на другую. При этом он излучил квант света (порцию электромагнитной энергии) — одноразовый акт. Все: фотон полетел, как «шарик» — никакой волны нет. Или: электрон «поглотил» один квант света. От этого он несколько «распух». Это также разовый акт. А теперь представим себе, что электрон бегает с орбиты на орбиту и излучает каждый раз квант света. Весь этот процесс во времени можно представить в виде волны (с точки зрения математики). Представление о свете — волне и есть его математическая модель. Получается, что в одном случае квант света — «шарик», а в другом — волна. По Лучину А.А. фотон — это частица из электрической материи, имеющая скорость, равную скорости света. Фотон в нейтринном микроскопе представляется таким, как на фото:

А на самом деле, что может представлять собой квант света? Используя алгоритм, попытайтесь найти ответ.

**********************************************************

Вот как это пояснено в «Неоднородной Вселенной»: Гибридная материя АВСDEFG — физически плотное вещество — находится в состоянии мерцания, которое является пограничным состоянием физически плотной материи и есть ни что иное, как так называемый, электрон. Именно поэтому электрон обладает дуальными (двойственными) свойствами, как волны, так и частицы. В принципе электрон не является ни одним, ни другим, а является пограничной формой материи.

Дело в том, что наличие электрона создаёт зону стоячей волны на данной электронной (разрешенной) «орбите» атома. После «смерти» электрона, эта зона становится неустойчивой активной, так как уровень собственной мерности этой зоны становится выше уровня собственной мерности атома в целом.

Возникший таким образом микроскопический перепад мерности создаёт «ловушку для фотонов» реликтового излучения. А теперь проанализируем ситуацию с помощью алгоритма анализа развития систем.

Алгоритм анализа развития систем с помощью законов диалектики:

1. Выбрать объект исследования для анализа его развития.

Фотон — квант света: он и частица — шарик с радиусом rф ~ 10-18м, от которого расходятся во все стороны жгутики на расстояние 10-13м, и волна, длиной λ = с/ν. Фотон состоит из электрической материи.

2. Выявить связи с окружающим его миром: ближайшие (с системных позиций) и дальние связи (убывающие или усиливающиеся с переходом на более высокий или более низкий уровень).

По концепции А.А. Лучина фотон является «содержимым» электрона и проявляется при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой, отражая одноактный процесс: происходит торможение электрона и за счет сил инерции магнитные и электрические частицы — кванта света выбрасываются из него в виде фотона (электрическая материя) со скоростью света и магнитной частицы со скоростью, зависящей от её массы. При этом электрон связан с магнитным ядром атома жгутиками (цепочка из чередующихся фотонов и магнитных частиц), удерживающими его на «орбите» (разрешенном уровне). И в самом электроне электрические частицы — фотоны — связаны с биполярными магнитными частицами, находящимися в его ядре и на несколько порядков их масса больше массы фотонов. Конструкция фотона внешне похода на конструкцию электрона.

Если электрон «бегает» с орбиты на орбиту туда-сюда, он выбрасывает электрические и магнитные частицы из себя в первой части акта излучения и поглощает другие — во второй части этого акта. Данный процесс можно описать как колебательный, используя наиболее удобную для этого МАТЕМАТИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ гармонического процесса, которая в любом случае будет далека от реальной. Согласно парадигме, Лучина А.А. электрон должен быть связан жгутиками с ядром атома, тормозящими его движение. При этом он существует как цельное образование. Тогда как по концепции Н.В. Левашова, электрон при прохождении волны реликтового излучения «рождается» и «погибает» в одном месте, а далее может вновь «родиться» в новом месте при определенных условиях. А по концепции А.М. Хатыбова можно считать, что электрон перед «рождением» находится в неинерционном состоянии, а после «рождения» – в инерционном.

3. Выявить главную (полезную для искусственных систем) функцию развития (существования) анализируемого объекта.

Квант света излучается или поглощается для стабилизации альбедо системы и «соблюдения» требований закона сохранения энергии, т.е. для гармонизации системы. Происходит перераспределение энергий в системе, но в целом она находится в равновесии с остальной частью – надсистемой.

4. Определить тождественное («старые» его свойства) и отличительное (то новое, что необходимо внести в его свойства или качества, чтобы объяснить его поведение в тех или иных условиях) в объекте, т.е. выявить противоположности, тенденции развития и т.п. в объекте.

Здесь могут возникнуть несколько задач, разберем две из них, связанные с парадигмами Левашова Н.В. и Лучина А.А.:

  1. По Лучину А.А. фотон — частица из электрической материи, корпускула, локализованная в определенном объеме внутреннего пространства электрона, поэтому он поглощается или излучается «целиком». Фотон входит в «состав» электрона, их в нем примерно 3*1010 штук, помимо такого же количества магнитных частиц. Фотон притягивается к любому полюсу магнитной частицы, но отталкивается от себе подобных частиц — фотонов. Если фотон притягивается к магнитной частице, то это значит, что они имеют общую природу и нечто способствующее их притяжению.
  2. Из концепции Левашова известно, что электрон материализуется при прохождении волны реликтового гамма-излучения, когда его мерность будет тождественна мерности окружающего пространства или при поглощении кванта света соответствующей длины волны.

Гамма-излучения кратковременно создают дополнительное искривление микропространства, при котором возникают условия для слияния семи первичных материй нашего типа и синтеза электрона (Рис. 3.2.9 ).

6 γi ≤ ΔL + h

Это крайне неустойчивое граничное состояние проявляется в первую очередь в постоянном переходе материи из одного качественного состояния в другое и наоборот, говоря языком Хатыбова А.М., из неинерционного состояния в инерционное. При этом эти качественные состояния связанны с постоянным поглощением и излучением фотонов (Рис. 3.2.12 и Рис. 3.2.13) с длиной волны λ.

Заполняющее пространство реликтовое излучение, как электромагнитное, состоящее из электрической и магнитной материй, которые также должны быть частицами, как кванты света, (и по парадигме Лучина А.А.) и выбрасываться из электрона при излучении атома или втягиваться в электрон при поглощении кванта света. По концепции Лучина А.А. допускается непрерывное существование электрона в инерционном состоянии. Этот процесс, судя по рисункам Н.В. Левашова, происходит плавно, с нарастанием амплитуды волны гамма излучения (мерности), в поле которого синтезируется электрон (рис. К-Ф-0).

Как пишет Н..В. Левашов1: «При наличии горизонтального перепада мерности, высвободившиеся при распаде электрона первичные материи, поглотив фотон другой длины волны, могут материализоваться в какой-либо соседней зоне деформации микропространства, существующей вокруг ядра атома. Происходит, так называемый, квантовый переход электрона с одной орбиты на другую. При подобных переходах электроны поглощают и излучают фотоны с различными длинами волн. Это связано с тем, что каждая зона отличается от соседней численной величиной деформации микропространства. Поэтому из-за этого различия «глубины» зон деформации микропространства для возможности материализации электрона необходимы разные дополнительные искривления микропространства, что и осуществляется посредством поглощения фотонов, имеющих разные длины волн и амплитуды».

Иначе говоря, если в этот момент электрон получает дополнительную энергию («пинка»), уменьшая свой уровень мерности, он перейдет на другой — нижний уровень, где мерность пространства будет меньше собственной мерности электрона на величину амплитуды фотона, и распадается, испуская при этом квант света. При поглощении фотона, электрон переходит на верхнюю орбиту, где мерность будет выше его собственной, поэтому он становится неустойчивым и распадается на образующие его первичные материи (ПМ). Этот процесс можно представить так: масса кванта света нарастает до своего максимального значения, а затем теряет её, вначале плавно переводя электрон из неинерционного состояния в инерционное, и далее обратно. В данном случае, фотон — ведет себя как волна: половина периода колебания он нарастает в своей массе, а потом — половина периода — он излучается. Однако это всего лишь очень наглядный математический приём представления процесса излучения, и не более, поэтому его и выбрал Н.В. Левашов для наглядности происходящего процесса.

Между концепциями возникает некоторое противоречие: чтобы соответствовать концепции Лучина А.А., фотон должен быть частицей и излучаться или поглощаться электроном сразу целиком, но, чтобы соответствовать концепции Левашова Н.В., фотон должен быть волной для компенсации недостающей разницы мерности при синтезе физически плотной материи электрона или его масса должна нарастать плавно, т.е. не «целиком».

При поглощении кванта света в виде частицы и излучении его, электрон переходит в свое новое состояние (рис. К-Ф-1 и К-Ф-2).

Таким образом, фотон частица («шарик» — как «чёрт», выскочивший из табакерки), и, в тоже время, ведёт себя, как волна (у которой амплитуда нарастает, а потом спадает). Тогда мы вынуждены признать с одной позиции, что фотон, как система, состоит из большого числа частиц электрической материи (например, в электрон входит 3*1010 фотонов), чтобы образовывать все многообразие фотонов с разной длиной волны (квантуясь по порциям энергии), т.е. он в свою очередь делим. Или: фотоны с разными массами входят в состав электрона, поэтому излучаются кванты с разными частотами. Следовательно, в первом случае он может поглощать те кванты, которые помогут ему материализоваться, или терять часть своих частиц (квантов) с той же целью — тогда говорят о его «старении» (эффект красного смещения спектра).В этом аспекте фотоны оптического диапазона — особенно интересны, так как они являются на уровне микропространства основой нашей Вселенной.

Тождественные свойства и качества: электрические частицы, образующие фотон, имеют тенденцию к взаимному отталкиванию. Электрические и магнитные частицы обладают свойствами взаимно притягиваться друг к другу, независимо от полюса магнитной частицы. При этом магнитные частицы притягиваются друг к другу разными полюсами.

Отличительные свойства и качества: Рост фотона из частиц электрической материи происходит плавно, волнообразно до следующего акта излучения или поглощения (накопления нужного количества и перехода его в нужное качество) независимо от сил взаимного отталкивания частиц электрической материи. При нарастании массы электрона во время прохождения реликтового (жесткого) излучения, несущего ПМ G преимущественно из магнитных частиц, которые и формируют ядро электрона, притягивая к себе электрические частицы — фотоны, синтезированные из 6-ти разных ПМ, входящих в электромагнитный спектр с соответствующим коэффициентов квантования. Но магнитные частицы, как имеющие большую массу и свойство проникать через любые преграды, по инерции продолжают свое движение дальше, «разрушая» тем самым народившийся электрон. Можно предположить, что магнитные частицы в своей основе также состоят из электрических, образующих биполярную частицу. Здесь появляется еще одна задача, связанная с формированием биполярных частиц из электрической материи. Можно проследить и эту линию развития биполярных частиц, пока представленную в виде рабочей гипотезы.

5. Выявить причины, т.е. то, что мешает противоположностям (тождественным и отличительным свойствам) быть в гармонии?

  1. Фотон — частица — локализован в ограниченном пространстве, он имеет «ядро», от которого во все стороны исходят жгутики, обеспечивающие свойство отталкивания, а фотон — волна — «размазан» по пространству между энергетическими уровнями атома (рис. 3.2.12 и 3.2.13.).
  2. Чтобы быть частицей, фотон должен быть локализован в ограниченном пространства (быть «шариком» с щупальцами) и при этом силы отталкивания между частицами должны быть намного слабее, сил, объединяющих их в ядро фотона. Но, чтобы быть волной, он не должен быть локализован в ограниченном пространстве, т.е. должен быть как бы «размазан» между двумя энергетическими уровнями атома, при этом должно быть нечто (назовем егоХ-элементом), удерживающее электрические частицы в этом пространстве против сил отталкивания. При этом нужно помнить, что щупальцы электрического поля состоят из фотонов и магнитных частиц2, причем значительно меньших по размерам и массе, чем сам «центральный» фотон, от которого исходят эти щупальцы. Или: если все частицы примерно одного размера, то фотон должен представлять собой образование, в котором постоянно происходит перераспределение частиц (электрических и магнитных), сохраняющее форму «шарика».

6. Сформулировать Идеальный Конечный Результат (ИКР) для данного объекта после единения тождественного и отличительного: исследуемый объект САМ устраняет противоречивые свойства, приобретая требуемые, и сохраняя при этом возможность выполнять прежние полезные свойства (действия).

1. ИКР: Фотон САМ устраняет свойство отталкивания (Д1) друг от друга электрических частиц при своем образовании, сохраняя свойства отталкивания (Д2) от себе подобных после образования фотона.

Или:

2. ИКР: Х-элемент в фотоне САМ устраняет взаимное отталкивание частиц электрической материи (Д1) при образовании фотона или волны, сохраняя их способность проявлять отталкивающие свойства сформированных фотонов (корпускулярные или волновые свойства) (Д2).

7. Выделить противоположности и сформулировать из них противоречие (Научное Противоречие, Техническое Противоречие или Физическое Противоречие, или Физическую Несовместимость): Чтобы исследуемый объект выполнил действие Д1, он должен обладать свойство С, но, чтобы он выполнил действие или требования Д2, он должен обладать свойством не-С.

1. ФП: Чтобы фотон сам устранял отталкивающие свойства (Д1) при его образовании, он должен быть электрически нейтральным (С), но, чтобы он после образования имел свойства отталкивания (Д2), он не должен быть электрически нейтральным (не-С).

Здесь можно сформировать целую цепочку противоречий, например, чтобы фотону быть электрически нейтральным, составляющие его части должны компенсировать электрические поля друг друга (например, фотон и антифотон), и не должны компенсировать поля друг друга, чтобы при синтезе фотона иметь свойство отталкиваться от себе подобных частиц. И т.д., создавая физические модели, удовлетворяющие требованиям противоречия.

2. Чтобы Х-элемент устранил взаимное отталкивание (Д1) частиц электрической материи при формировании фотона, он должен обладать сильными притягивающими (объединительными) свойствами (С1), но, чтобы после формирования фотона проявлялись свойства отталкивания (Д2), он не должен проявлять свойства притягивать (быть нейтральным) электрические частицы (не-С1).

8. Найти прием или закономерности развития, с помощью которых противоречие будет устранено.

Фотон существует от времени его излучения до времени его поглощения. Придумывать еще какие-то частицы специально для решения поставленной задачи, излишне. Нужно использовать природные ресурсы, которыми обладает окружающее пространство. А в нем имеются различные первичные материи в виде электрических и магнитных частиц. Здесь можно использовать прием: Разделение несовместимых свойств системным переходом-1: пусть система обладает свойством С , а надсистема, включающая данную систему — свойством не-С. Или же пусть в целом система будет обладать свойством С, а подсис нтемы — свойством не-С. Пусть фотон, вернее его электрическая материя, при формировании обладает свойством притягивания к его ядру, а после образования приобретает свойство отталкивания. Притягивание при образовании фотона обеспечивает магнитная частица (других нет), к которой притягиваются частицы электрической материи. Разные магнитные частицы формируют разные фотоны (по массе). Отсюда и шкала электромагнитных волн, предложенная А.А. Лучиным.

Аналогичное решение дает и следующий прием.

  1. Разделение несовместимых свойств системным переходом-1: пусть система обладает свойством С , а надсистема, включающая данную систему — свойством не-С. Или же пусть в целом система будет обладать свойством С, а подсистемы — свойством не-С.

Фотон является электрической частицей, обладающей свойством отталкиваться от себе подобных, а подсистема — её ядро (из магнитной частицы) — свойством притягивать к себе электрические частицы.

9. Записать полученное решение.

Фотон представляет собой систему, в которой ядро состоит из магнитной частицы, притягивающей к себе электрические. Как известно из парадигмы Лучина А.А., магнитные частицы могут быть разными по массе и размерам, отсюда и разный набор электромагнитных излучений в спектре: проявление закона перехода количественных изменений в качественные. Надо полагать, что и магнитные частицы должны быть сформированы из эл. материи, т.к. природа использует те ресурсы, которые имеются в конкретном процессе, т.е. она не изобилует излишествами, к тому же законы микро- и макроуровня едины. При этом более высокий иерархический уровень организуется из элементов более низкого иерархического уровня (см. волновую модель системы).

При больших скоростях электрона и его торможении, он испускает электромагнитное излучение (ЭМИ), при этом из него выбрасываются магнитные частицы, характеризующие жесткое, например, рентгеновское излучение, а остаются фотоны. Да и сами фотоны при встрече с преградой, отталкиваются от электрического слоя, создаваемого поглощенными фотонами, покрывающего любое вещество, а магнитные частицы, как имеющие большую массу и, следовательно, инерцию, проникают сквозь эту преграду, что может быть обнаружено экспериментально. Разделив электромагнитное излучение на поток фотонов (организуя преграду) и поток магнитных частиц, можно направить его на свободно подвешенный на нити магнит, который должен будет притягиваться к этому потоку (рис. К-Ф-3). Для проведения этого эксперимента нужно жесткое излучение, т.к. «мягкое» не позволяет однозначно сделать вывод.

Могут быть и другие способы проверки рабочей гипотезы.

10. «Пропустить» полученное решение по «волне» моно-би-поли-сложные системы, рассмотрев следующие линии развития:

  • моно-С→би-С→ поли-С→ сложные системы→ …
  • моно-С→ С1→ С2→ С3….
  • моно-С→ ПС(моно-С) → В(ПС)→ П(В)→ ….

Например, пропустим полученное решение по цепочкам развития:

  • фотон (эл. материя) → фотон + магнитная частица = электромагнитное излучение → 3*1010 фотонов и магнитных частиц = электрон → атом (много магнитных частиц — ядро + много электронов + жгутики (магнитные частицы + фотоны) → …
  • Фотон→ фотон’→ фотон’’ + разные магнитные частицы (по массе) →…
  • Фотон → частица электрической материи со свойствами фотона → элементарные частицы, из которых состоит фотон→…

11. Учитывая, что с позиций диалектики каждому объекту должен соответствовать антиобъект, т.е. рассмотреть тождество противоположностей (гармонию), которая выражается общей формулой:

А есть не-А

где противоположность А относится к Системе, а не-А — к анти-Системе.

Проанализировать противоположность не-А по вышеприведенной схеме.

Следовательно, в рамках приведенных рассуждений следует, что каждому фотону должен соответствовать, назовем условно, антифотон. Это может быть также предметом анализа антифотона с позиций, приведенных выше.

12. Сформулировать новые представления о системе.

Фотон — квант света: он частица — «шарик» с радиусом rф ~ 10-18м, от которого расходятся во все стороны жгутики на расстояние 10-13м., состоит из частиц электрической материи, привязанных к ядру из магнитной частицы. Фотон делим так же, как и электрон. Каждый фотон представляет собой микроскопическое искривление пространства, насыщенное какой-либо одной первичной материей. Он, как цельный объект, плавно поглощается (выбрасывается) пространством, где мерность такова, что при появлении (исходе из него) в нем фотона, будет синтезирован электрон с новыми параметрами. Здесь сам процесс может быть описан математически, как гармонический, вот с этих позиций фотон как бы проявляет волновые свойства. Фотон, как материальный объект, должен иметь свой антипод в виде антифотона. Таким образом, противоречий между концепциями Н.В. Левашова, А.А. Лучина и А.М. Хатыбова нет, т.к. каждая рассматривает исследуемый объект на разных уровнях его организации.

§ 4.10 Электрон — волна или частица?

— Кому велено чирикать — не мурлыкайте!

— Кому велено мурлыкать — не чирикайте!

Не бывать вороне коровою,

Не летать лягушатам под облаком!

К. Чуковский, «Путаница»

Приход квантовой физики перевернул науку с ног на голову: не только свет стали наделять корпускулярными свойствами, но и частицы материи начали считать волнами, запутав всё, как в стихотворении Чуковского. Действительно, нет более странного утверждения квантовой физики, чем гипотеза де Бройля, по которой всякую частицу надо одновременно рассматривать как волну, а волну — как частицу. Однако, учёные приняли сей парадоксальный тезис, нарушающий столь почитаемый ими принцип Оккама, по которому свет незачем рассматривать как частицу, если можно объяснить его свойства, считая свет волной, и не стоит считать электроны и атомы волнами, раз легко понять их свойства, как частиц. Впрочем, казалось, электроны в опытах проявляли и волновую природу, а свет — корпускулярную. Поэтому, теперь мало кто сомневается, что электроны обладают кроме корпускулярных ещё и волновыми свойствами. Помимо законов проводимости (§ 4.17) и эффекта туннелирования (§ 4.12), косвенно подтверждающих двойственную природу электрона, имеются будто бы и прямые доказательства наличия у него волновых свойств. Это опыты, обнаружившие интерференцию и дифракцию электронных пучков или, даже, — отдельных электронов. Однако, как видели, многие неклассические эффекты вполне можно объяснить и классически. Именно так, выше было показано, что квантовые эффекты можно объяснить, считая свет простой волной. Так же, и «волновые» свойства электрона можно истолковать классически, считая его частицей. Эти объяснения не были найдены только потому, что физики, ослеплённые успехами квантовой механики, и не пытались их найти. Так существуют ли реальные доказательства корпускулярно-волнового дуализма?

Первым опытом, «подтвердившим» волновую природу электрона, был опыт Дэвисона и Джермера, которые облучали кристалл никеля высокоэнергичными электронами . Те рассеивались поверхностью кристалла неравномерно: в некоторых направлениях электронов вылетало больше, в других — меньше. Максимумы и минимумы рассеяния чередовались, как при дифракции света на дифракционной решётке или рентгеновских лучей на кристалле (Рис. 161). Поэтому, сочли, что электроны подобны волне, рассеиваемой поверхностью кристалла, атомы которого играют ту же роль, что штрихи отражательной дифракционной решётки. Казалось, это подтвердили и согласующиеся с опытом численные оценки длин волн электронов — по формуле де Бройля, на основании их известных скоростей и энергий.

Рис. 161. Дифракция электронов: электронный луч, рассеянный кристаллом, в зависимости от угла ? даёт максимумы и минимумы тока электронов, попавших в детектор.

Физики, однако, не учли, что электроны при ударе о металл всегда генерируют электромагнитные волны. И, наоборот, электромагнитные волны, свет, попав в металл, вырывают из него электроны. Поэтому, не исключено, что реально на кристалле никеля дифрагировали не сами электроны, а — созданное ими ещё в электронной пушке электромагнитное рентгеновское излучение. Не зря, сравнивают дифракцию на кристалле электронов и рентгеновских лучей. А детектор, призванный регистрировать электроны, обнаруживает именно рентгеновские лучи. Ведь фотоплёнку, часто применяемую для регистрации дифракционной картины, одинаково способны засвечивать как электронные пучки, так и рентгеновские лучи.

Если же в качестве детектора использован гальванометр, меряющий величину тока, заряда, приносимого электронами, то и он может регистрировать, в действительности, просто интенсивность рентгеновских лучей. Эти лучи могут наводить ток и фото-ЭДС в гальванометре, а могут выбивать электроны из детектора, рождая ток, обратный тому, что дают электроны. Поэтому, кроме величины тока гальванометра, надо измерять его знак — соответствует ли он привнесению электронов или их уходу? Величина фототока, как гласит закон Столетова, пропорциональна интенсивности излучения. Поэтому, там, где дифракция рентгеновских лучей даёт максимумы, будет максимален и фототок, что интерпретируют как рост числа падающих электронов. А где расположены минимумы, там и фототок мал, — поэтому считают, что в эти области электроны почти не попадают (Рис. 162).

Рис. 162. Классическая трактовка опытов Джермера. Электроны, ударив в металл, генерируют рентгеновские лучи, дифрагирующие на кристалле и воздействующие на детектор.

Кроме качественного, имеется и количественное согласие. Длина волны де Бройля ?=h/MV, где M — масса частицы, V — её скорость, h — постоянная Планка. Чем выше скорость и энергия электрона, тем короче отвечающая ему длина волны. Судя по положению дифракционных максимумов в опыте Дэвисона, с ростом энергии электрона длина волны именно так и убывает. То же даёт и классическая картина явления. На кристалле дифрагируют не электроны, а созданные их ударами рентгеновские лучи, длина волны ? которых по законам обратного фотоэффекта связана с энергией электрона E=hf=hc/?, или ?=hc/E. То есть, и в классике длина волны дифрагирующего излучения падает с ростом энергии, скорости электронов. Поскольку в опытах исследуют быстрые электроны со скоростями порядка скорости света c, их импульс p=MV выражают через энергию релятивистской формулой E=pc=MVc. Отсюда найдём ?=hc/E=h/MV, что совпадает с формулой де Бройля.

Если б учёные для оценки импульса электрона пользовались классическим выражением E=MV2/2, они бы заметили несоответствие, ибо длина волны выражалась бы иначе: ?= 2hc/MV2. Не замечают этого лишь от принятия формулы СТО E=pc. Одна ошибочная теория скрывает ошибки другой. Как в поговорке «рука руку моет, вор вора кроет», так и теория относительности с квантовой механикой: не будь одной, ложность другой стала б очевидна.

И, всё же, опыт Джермера обнаруживает расхождение с квантовой теорией. По СТО формула E=pc справедлива лишь для очень быстрых электронов, рождающих наиболее жёсткое излучение. Поэтому, чем медленней электроны, тем сильней отклонение в сторону классической формулы E=MV2/2. Так что, для медленных электронов, по классической теории, должны наблюдаться заметные несоответствия формуле де Бройля. И они, действительно, возникают, приводя в недоумение физиков . Те, правда, пытаются спасти теорию, полагая, что в металле, за счёт работы выхода, длина волны электрона меняется . Но все эти отчаянные попытки не выдерживают критики. Так, находимые из опытов Джермера, с учётом этой гипотезы, значения работы выхода — совершенно не согласуются с её реальными значениями. Значит, проблема именно в квантовой теории явления, а не в неучтённых помехах.

Как видим, классическая трактовка опытов Джермера не только возможна, но и даёт лучшее согласие с экспериментом, чем квантовая. Аналогично трактуются все прочие опыты по дифракции «электронов» на кристаллах и поликристаллах: везде дифрагируют не сами электроны, а вызванное ими рентгеновское излучение, которое и регистрируют детекторы. Правда, в одном из опытов Г. Томсон и П. Тартаковский, поняв, что дифракционную картину могут создать и рентгеновские лучи, пытались исключить этот эффект, наложив магнитное поле в пространстве за экраном . Если дело в рентгеновских лучах, то картина, как полагали, не изменится (магнитное поле на них не влияет), а если причина в электронах, магнитное поле исказит картину, что и наблюдалось в опытах. Но и в классической картине явления электроны, прошедшие за экран и выбитые из детектора, могут исказить картину, созданную рентгеновскими лучами. Гораздо проще разделить явления, вовсе исключив попадание электронов в детекторы посредством перегородки, задерживающей электроны, но пропускающей рентгеновские лучи, либо наложив столь мощное магнитное поле, которое так отклонит электронный пучок, что электроны вообще не смогут попасть на плёнку. Если при этом дифракционная картина всё же возникнет, то причина эффекта будет однозначно заключаться в рентгеновских лучах.

Так же можно объяснить и опыты по «дифракции» или «интерференции» электронов на краю экрана, на одной или двух щелях в экране. Считают, что электронная волна, дифрагируя на перегородке, подобно свету, создаёт интерференционную картину на люминесцентном покрытии. Но, и в этом случае, очевидно, дифрагируют и интерферируют не сами электроны, а рождённые ими в металле электромагнитные волны, которые воздействуют на люминофор экрана так же, как электроны, вызывая его свечение. Особенно показателен опыт по интерференции электронов в установке, аналогичной интерферометру из опыта Саньяка (§ 1.13). Пучок электронов делился на два, которые вновь сводились на детекторе, где «интерферировали». При этом, в зависимости от вращения установки интерференционная картина менялась, словно в опыте Саньяка, где интерферировали световые волны. Однако, здесь учёные перестарались и сами себя «подставили», поскольку опыт привёл к выводу, что волны в опыте движутся со скоростью света, а не со скоростью электронов. То есть, интерферировали не электронные, а электромагнитные волны, возбуждённые электронами и отражённые плоскими электродами электронных зеркал. То есть, никакой интерференции электронов или других частиц в подобных опытах не наблюдалось: была классическая интерференция света.

Именно классическая трактовка позволяет решить одну из главных загадок интерференции и дифракции электронов. Если электроны пускать редко, дабы те следовали по одному, то интерференция на двух щелях и другие дифракционные картины, всё же, возникают, как показали опыты В. Фабриканта (изобретателя лазера, § 4.9). Но это значит, что каждый электрон проходит сразу через обе щели, интерферируя сам с собой, иначе б интерференция была невозможна. С другой стороны, можно зафиксировать, через какую именно щель прошёл каждый электрон, а также заметить то место люминесцентного экрана, куда электрон попал. Всё это не вяжется с волновым представлением электрона и тем, что он проходит сразу обе щели . Учёных гнетёт это противоречие, и, потому, они либо избегают этой темы, либо выдумывают совсем уж мистические теории.

А на деле — всё просто. Раз причина дифракции не в электроне, а в вызванных им рентгеновских лучах, то ему и незачем проходить сразу обе щели. Электроны, поодиночке пролетающие через щели, вообще не влияют на дифракционную картину. Можно вообще заткнуть щели материалом, непроницаемым для электронов, но прозрачным для рождённого ими излучения, — дифракционная картина сохранится, хотя до приёмника не долетит ни один электрон. А точки, где детекторы фиксируют электроны, это не места попадания электронов, прошедших через щели, а участки, где энергия излучения достаточна для возбуждения атомов детектора, для засветки кристаллов люминофора или бромистого серебра. Всё точно так же, как в рассмотренном выше случае для обычного оптического излучения (Рис. 147).

Известен также опыт по дифракции электронов на атомах инертных газов. Такой опыт был выполнен Рамзауэром и Таунсендом . Коротко суть его в следующем. Между источником И электронов и установленным напротив него приёмником П (Рис. 163) помещается рассеивающая среда — инертный газ. Выстреливаемый источником к приёмнику узкий пучок электронов известной энергии рассеивается атомами газа. Часть электронов из тех, что не рассеялись или рассеялись на малые углы, достигает приёмника, создавая электрический ток, измерение которого даёт процент долетевших частиц (этот процент и ток тем больше, чем меньше рассеяние).

Рис. 163. Электронный пучок от источника приходит к приёмнику ослабленным за счёт рассеяния электронов атомами газа.

Теоретически, с уменьшением скорости и энергии частиц, степень их рассеяния атомами, определяемая через эффективное сечение рассеяния ?, должна монотонно нарастать. Точно так же, быстро мчащийся автомобиль или снаряд, влетающий в полосу препятствий, отклоняется от прямого пути, «рассеивается» тем раньше и сильнее, чем меньше его начальная скорость.

Но в опыте такая картина, — рост рассеяния с падением скорости, — наблюдается только до определённого значения E1 энергии электронов (Рис. 164). С достижением его, дальнейшее снижение скорости приводит уже не к росту, а к спаду рассеяния. Лишь после того, как энергия электронов понизится до следующего характерного значения E0, степень рассеяния снова начнёт расти. Если Резерфорд, в своём известном опыте, сравнивал ?-частицы, отбрасываемые назад тонкой золотой фольгой, с винтовочными пулями, отскакивающими от листа бумаги, то медленные электроны, пробивающие слой газа в опыте Рамзауэра, следует, напротив, уподобить лёгким соломинкам, прошивающим толстый лист брони. Действительно, классическая теория долгое время не могла объяснить аномально высокой проницаемости газов — для сравнительно медленных электронов.

Рис. 164. Зависимость сечения рассеяния электронов от их энергии в опыте Рамзауэра.

Но, достаточно было предположить у электрона волновые свойства, как всё становилось на свои места. По квантомеханическим представлениям, рассматривать рассеяние электрона, как частицы, можно лишь до тех пор, пока его импульс выше некоторого значения, пока дебройлевская длина волны электрона мала, — много меньше размеров рассеивающего атома. (Точно так же геометрическая оптика, по сути рассматривающая свет, как поток прямолинейно летящих частиц, — фотонов, применима лишь для оптических систем, значительно превосходящих размерами длины световых волн.) Но, при некоторой, достаточно малой, скорости дебройлевская длина волны электрона (?=h/p, где h — постоянная Планка, а p — импульс электрона) сравнивается с размерами рассеивающих электроны атомов.

В таком случае, согласно квантовой теории, электроны рассеиваются атомами уже не как частицы, но как волны: происходит дифракция электронных волн на атомах. При дифракции же, как следует из оптических опытов, волны огибают экран, создавая при сложении интерференционные максимумы позади него, в области геометрической тени. Так, например, при освещении круглого экрана в центре его тени, при определённых условиях, появляется светлое пятно (пятно Пуассона). Примерно то же происходит с электронами. При достаточно малой скорости они начинают как бы проходить сквозь атомы, огибать их, что проявляется в уменьшении рассеяния и создании на приёмнике своеобразного электронного пятна Пуассона. (Так же и автомобиль, медленно въезжающий в полосу препятствий, уже не будет в них врезаться, а станет их объезжать, и, потому, несмотря на малую скорость, сможет длительное время двигаться в правильном направлении).

Так и получилось, что рассеяние электронов, при убывании их скорости, растёт только до определённого значения их импульса, энергии. Едва скорость электронов уменьшится настолько, что длина их волны станет сопоставима с размерами атомов, рассеяние резко снизится. Этим и объясняется необычный характер графика (Рис. 164), имеющего аномальный провал, — минимум в области низких значений энергии электронов.

Замечательно, что, чем тяжелее используемый инертный газ, тем при меньших скоростях электронов удаётся наблюдать эффект аномального снижения рассеяния. Так, в «Общем курсе физики» для сравнительно лёгкого аргона приводится критическое значение энергии E1= 13 эВ, для более тяжёлого криптона E1 = 11 эВ, а для тяжёлого ксенона E1 = 6 эВ. Снижение E1 объясняют тем, что размер атомов инертных газов постепенно растёт с увеличением их атомного номера, при переходе от He к Xe (Таблица 11: радиусы по статье «Инертные газы» из БСЭ). Поэтому, чем тяжелее газ, тем больше его атомы, и тем больше должна быть дебройлевская длина волны ? электрона, для дифрагирования на них. Тем сильнее нужно снизить скорость электронов для появления аномально низкого рассеяния. Выходит, по зависимости рассеяния электронов атомами можно даже оценивать значения атомных радиусов.

Такова квантомеханическая трактовка опыта Рамзауэра-Таунсенда, казалось бы, предельно ясная и убедительная. Но, на самом деле, — не всё так гладко.

Дело в том, что рассмотренный закон усиления рассеяния с падением скорости обоснован лишь для случая упругого рассеяния, то есть, — для рассеяния, при котором сумма кинетических энергий электрона и рассеивающего атома до и после соударения — одинакова: энергия удара не переходит во внутреннюю энергию атома. Поэтому, в учебниках специально оговаривается, что рассматривается только случай упругого соударения . Но, в том-то и дело, что при энергиях порядка 10 эВ соударение уже близко к неупругому (§ 4.8).

Действительно, для каждого из газов энергия E1, начиная с которой возникает расхождение с классическим законом рассеяния, — лишь немногим меньше соответствующих энергий ионизации (Таблица 11). А, по другим данным, для аргона эти энергии и вовсе совпадают. Так, например, по учебнику А.Н. Матвеева для аргона энергия наибольшего рассеяния составляет 16 эВ, что почти совпадает с энергией ионизации его атомов (15,7 эВ). Но тогда соударение становится уже неупругим: при такой энергии отдельные электроны, столкнувшись с атомом, уже не отскочат от него упруго, а потеряют скорость, отдав часть энергии на ионизацию атома, — на отрыв от него электрона.

Впрочем, столкновение становится неупругим ещё задолго до того, как энергия удара превысит энергию ионизации. Заметно меньше последней — энергия возбуждения атома (Таблица 11), — минимальная порция энергии, которую атом может поглотить. Только такая, но, — никак не меньшая, порция энергии способна перевести атом в возбуждённое состояние. Лишь электроны энергии E1, колеблющиеся при захвате атомом с частотой f=E1/h, способны войти в резонанс с собственной частотой колебаний внутренних электронов атома и, потому, легко отдают атому эту энергию E1, которая излучается в виде так называемой «первой резонансной спектральной линии атома». Существование такого порогового значения энергии было открыто в опыте Франка-Герца (§ 4.8), не менее простом и убедительном, чем опыт Рамзауэра-Таунсенда. Да и во многом другом эти опыты похожи.

И там, и там имелся источник и приёмник электронов с рассеивающей средой (парами металла или инертным газом) между ними. В обоих опытах измерялся процент долетевших до приёмника электронов — по созданному в нём току. И, так же, по мере увеличения скорости и энергии электронов, всё большая их часть должна была, благодаря уменьшению рассеяния, достигать приёмника: ток I приёмника должен был монотонно нарастать по мере роста энергии электронов (Рис. 165, пунктирная кривая).

Рис. 165. Зависимость тока I электронов от их энергии E в опыте Франка-Герца.

Однако, так же, как в опыте Рамзауэра, на экспериментальной кривой (Рис. 165, сплошная линия) возникали минимумы и максимумы: по достижении электронами определённой скорости, соответствующей некоторой энергии E0, число частиц, долетевших до приёмника, при дальнейшем росте скорости — переставало увеличиваться и начинало убывать. Лишь по достижении электронами следующего характерного значения скорости (и энергии E1), доля частиц, поглощённых приёмником, начинала снова расти. Объясняется опыт просто: пока скорости движения электронов малы, атомы рассеивают их упруго, почти не уменьшая их скорости при соударениях, поскольку атом гораздо массивней отскакивающих от него электронов.

Но, едва нарастающая энергия электрона превысит потенциал возбуждения атома E1 (и его первой резонансной линии), как последний отберёт энергию у частицы: энергия электронов сгорает, как при переборе в карточной игре «очко» (именно так в гелии набор электроном энергии большей 21 эВ, ведёт к её «сгоранию»). Электроны с такой энергией теряют скорость и не могут больше преодолеть запирающего поля. Если же электрон имеет заметно большую энергию, то, в зависимости от условий опыта, он либо теряет только часть её (равную резонансному потенциалу), либо совсем её не теряет (усовершенствованный опыт Герца). Вот почему, по мере дальнейшего роста энергии электрона, процент достигших приёмника частиц снова начнёт увеличиваться (Рис. 165).

Сходство опытов столь очевидно, что сразу обращает на себя внимание. В обоих опытах наблюдается, вопреки предсказанной зависимости (на Рис. 164 и Рис. 165 показана пунктиром), — резкое падение числа долетевших до приёмника электронов, которое минимизируется, при достижении ими энергии E1. Недаром, зависимости на Рис. 164 и Рис. 165 качественно являются зеркальным отражением друг друга, поскольку ?~1/I. То есть, в опыте Рамзауэра возникает так же зависимость тока электронов от энергии, что и на Рис. 165. Поэтому, опыт Рамзауэра-Таунсенда объясняется так же, как опыт Франка-Герца. Набрав определённую энергию, электроны перестают в столкновениях рассеиваться упруго, а разом отдают атомам накопленную энергию (равную энергии возбуждения, — резонансному потенциалу). При этом, скорость их падает, что ведёт к усилению рассеяния, снижающего процент долетевших до приёмника частиц. Тогда, на монотонно убывающей кривой рассеяния появляется своеобразный резонансный максимум, всплеск. Вот почему график (Рис. 164) так напоминает знакомую всем со школы резонансную кривую.

Таким образом, резонансный максимум и сопровождающий его минимум рассеяния должны наблюдаться в любом случае, независимо от природы электрона. О резонансном пике сечения рассеяния, приходящемся на энергию возбуждения, упоминается и в литературе по теории столкновений и рассеяния электронов на атомах. А, раз на графике (Рис. 164), кроме экстремумов, связанных с возбуждением атома, нет никаких других, то, выходит, ни к чему здесь привлекать дифракцию и волновые свойства электрона. Так что, результат опыта Рамзауэра-Таунсенда не может служить доказательством волновой природы электрона: этот опыт есть не более, чем видоизменённый опыт Франка-Герца.

Это подтверждается и значениями энергии максимумов рассеяния в опыте Рамзауэра, которые близки к энергиям возбуждения указанных газов (Таблица 11: энергии возбуждения атомов по книге ). Из-за того, что резонансный пик кривой рассеяния по разным причинам сильно размыт, минимум рассеяния может заметно отстоять от максимума, а энергия максимума — не точно совпадать с энергией возбуждения.

И вовсе не увеличением размеров атомов объясняется в опыте Рамзауэра уменьшение энергии E1 максимума рассеяния, а тем, что энергия возбуждения (и ионизации) постепенно убывает при переходе от гелия к ксенону. Если же размеры атомов, действительно, иногда оценивают по рассеянию и дифракции на них электронов, то, возможно, ошибочностью такой методики измерения и вызваны большие расхождения (иногда в 5 раз) значений атомных радиусов, найденных разными методами.

Итак, опыт Рамзауэра-Таунсенда не подтверждает волновых свойств электрона и должен быть исключён из соответствующих разделов учебников. Казалось бы, ничего страшного: просто в данном опыте проявляется, как и во многих других, не волновая, а только корпускулярная сторона двуликого электрона, зато в других дифракционных опытах волновые свойства этих, да и других частиц налицо. Но не всё так просто…

В опыте Рамзауэра, как и в опыте Франка-Герца, волновые свойства электрона, приводящие к уменьшению рассеяния, всё же должны проявляться, если и не при указанных, то при чуть меньших значениях энергий. Но в том-то и дело, что на зависимостях (Рис. 164 и Рис. 165), кроме обязательных колебаний рассеяния, связанных с возбуждением спектральных линий и ионизацией атомов, — больше нет никаких других. Получается, что опыт Рамзауэра не только не подтверждает волновой природы электрона, но даже опровергает её.

Вдобавок, ошибочная волновая трактовка опыта Рамзауэра, вошедшая в учебники, подрывает доверие к волновому объяснению и всех остальных опытов по интерференции или дифракции электронов и других частиц. Как увидим, все эти опыты можно объяснить рационально, без привлечения волновых свойств частиц. Выходит, реально нет никакого корпускулярно-волнового дуализма, и учёные ожидаемое — принимают за действительное. Просто результаты опытов по интерференции электронов, как и результаты опыта Рамзауэра, были настолько необычны, казались столь противоречащими классическим представлениям, что волновая природа электрона была в них признана безоговорочно, и не было попыток дать опытам альтернативное объяснение. А, между тем, видим, что такое объяснение может быть найдено, его следует поискать. Не зря, даже Эйнштейн и Планк, которых никто не обвинит в слепой приверженности классическим взглядам, работами которых и было положено начало квантовой физике, до конца своих дней отрицали квантовую механику и индетерминизм явлений микромира, утверждая, что невозможно для частицы быть одновременно волной, а для волны — частицей. И многие другие физики верили, что со временем в каждом из случаев выживет только одна модель, которая объяснит как волновые, так и корпускулярные свойства частиц или волн. Эту точку зрения самоотверженно защищал и А.Г. Столетов (§ 4.3).

Поделитесь на страничке

Следующая глава >