Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц

Актуальные проблемы современной нанотехнологии.

До недавнего времени инженеры-разработчики электронных приборов в своих расчетах использовали только законы классической физики. И это было вполне оправданно, поскольку, например, в обычном кинескопе телевизора электроны движутся так же, как классические материальные точки биллиардные шары или мячи. В сложнейшем микропроцессоре компьютера движение микроскопических электронов подобно движению классических тел. Однако ситуация меняется. Логика развития современной полупроводниковой электроники такова, что интегральные схемы становятся все более сложными и объединяют все большее число элементов. Ранее изготовителям интегральных схем удавалось увеличивать плотность размещения транзисторов, диодов и других элементов за счет уменьшения их размеров. Сейчас эти размеры стали порядка нескольких долей микрона. Поэтому описание на языке классической физики потеряло всякий смысл и создатели электронных приборов вынуждены обратиться к квантовой механике.

Корпускулярно-волновой дуализм вещества

Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц

В 1924 г. де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными свойствами обладают также и волновыми.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики: энергия, импульс, а с другой волновые: частота, длина волны

. (1)

Для нерелятивистской частицы .

Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля

(2)

В 1927 г. американские физики Девиссон и Джермер исследовали отражение пучка моноэнергетических электронов от сошлифованного перпендикулярно диагонали, монокристалла никеля. Изменяя угол падения электронов и их энергию, они измеряли интенсивность отраженного пучка электронов по силе тока, текущего через гальванометр. Оказалось, что интенсивность отраженного пучка электронов подчиняется условию Вульфа-Бреггов , где , а - определяется по (2) и »1,67 × 10^-10м.

Рис.1 Схема опыта Девидссона и Джермера.

В дальнейшем опыты по дифракции электронов на металлической фольге (Томсон и Тартаковский, 1927 г.), когда на фотопластине были получены картины, подобные рентгенограммам, подтвердили блестящую идею Луи де Бройля. Электроны вели себя подобно фотонам. В 1925 г. Штерн показал, что дифракцию испытывают атомные и молекулярные пучки. Длина волны при этом также определялась соотношением (2).

Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что перед нами универсальное явление, общее свойство материи. Но тогда волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Действительно, частица массой 1г, движущаяся со скоростью 1м/с, будет обладать . Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому считается, что макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств – корпускулярную и не проявляют волновую.

Таким образом, квантовая физика рассматривает «микрочастицы» как образования особого рода. Они не являются ни частицей, ни волной в классическом понимании, хотя сочетают в себе и те и другие свойства.

Свойства частицы и волны приписываются микрочастице макроскопическими приборами, созданными человеком для обнаружения либо корпускулярных, либо волновых свойств. В классической физике «понять» - означало составить наглядный образ. В квантовой физике необходимо отказаться от создания наглядных моделей, так как приходится иметь дело с объектами особого рода, которые не могут быть описаны наглядно-чувственным миром человека. Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна – частица.