Волновые свойства вещества

Чаще всего рождению новых идей способствует эксперимент. Но иногда они рождаются просто из головы. В 1923 году молодой французский физик Луи де Бройль высказал идею о том, что корпускулярно-волновой дуализм, присущий свету, распространяется и на частицы вещества — электроны, протоны, атомы... Он предположил, что любой микрочастице присуща длина волны, причем связь между длиной волны λ и импульсом р такая же, как для фотонов: λ = h/p.

Физики сначала отнеслись к этой идее скептически. Эйнштейн был первым, кто ее поддержал. В одном из писем коллеге он писал об этой идее: «…даже если она выглядит безумной, она всё же совершенно самобытна».

Подтверждением волновых свойств чего бы то ни было служат явления интерференции и дифракции.

Способны ли микрочастицы интерферировать, как волны? Американские физики Дэвиссон и Джермер не слышали о «безумной» идее де Бройля и не собирались её проверять. Но в своих опытах 1927 года по отражению электронного пучка от поверхности монокристалла натолкнулись на типичную дифракционную картину. Они измерили длину волны электрона в зависимости от его импульса и подтвердили предсказание де Бройля. Позднее дифракцию на кристаллах наблюдали также у нейтронов, протонов, у атомных и молекулярных пучков.

Дебройлевская длина волны даже у медленных электронов очень мала — в десятки и сотни раз меньше длины волны видимого света (по длине волны такие электроны соответствуют рентгеновскому излучению). Поэтому использовать для наблюдения интерференции и дифракции те же способы, что в оптике, здесь нельзя. Зато кристаллы с их периодической структурой прекрасно служат трехмерными дифракционными решетками для электронов.

 

Самые же быстрые электроны, получаемые на ускорителях, имеют рекордно малые длины волн — 10^-17 м. Они используются для изучения внутренней структуры атомных ядер.

Итак, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм, однако они не являются ни волнами, ни частицами в классическом понимании. Корпускулярные и волновые свойства микрообъектов не проявляются одновременно, в одних и тех же явлениях — они дополняют друг друга, и только их совокупность характеризует микрообъект полностью. В этом суть сформулированного Нильсом Бором принципа дополнительности.

В дальнейшем мы будем продолжать употреблять привычное слово «частица» применительно к электрону и другим объектам микромира (у нас нет другого подходящего слова в языке), но не будем забывать, что это не просто частица, но частица-волна.