В чем заключается корпускулярно волновая двойственность электрона
Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля.
Корпускулярно-волновой дуализм (от лат. dualis — двойственный) — является важнейшим универсальным свойством природы, которое состоит в том, что каждому микрообъекту присущи сразу и корпускулярные, и волновые характеристики.
Например, электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как частицы, которые двигаются по классическим траекториям и имеют определенную энергию и импульс, а в других — обнаруживают свою волновую природу, которая характерна для явлений интерференции и дифракции частиц.
Ранее всего корпускулярно-волновой дуализм был определен для света. Распространение света как потока фотонов и квантовый характер взаимодействия света с веществом подтверждаются многочисленными экспериментами. Но ряд оптических явлений (интерференция, поляризация, дифракция) неоспоримо говорят о волновых свойствах света.
Классическая физика всегда отчетливо разделяла объекты, которые обладают волновой природой (например, свет и звук), и объекты, которые обладают дискретной корпускулярной структурой (например, системы материальных точек). Одним из самых важных достижений современной физики является убеждение в ложности противопоставления волновых и квантовых свойств света. Если рассматривать свет как поток фотонов, а фотоны — как кванты электромагнитного излучения, которые обладают в одно время и волновыми, и корпускулярными свойствами, современная физика может объединить антагонистичные теории — волновую и корпускулярную. В результате создалось представление о корпускулярно-волновом дуализме, которое лежит в основе современной физики (корпускулярно-волновой дуализм оказывается первичным принципом квантовой механики и квантовой теории поля).
Квант света — не является ни волной и ни корпускулой в понимании Ньютона. Фотоны — это специфические микрочастицы, у которых энергия и импульс (в отличие от обычных материальных точек) выражаются при помощи материальных характеристик — частоту и длину волны.
В 1924 г. французским ученым Луи де Бройлем была озвучена гипотеза о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ каждому без исключения виду материи — электронам, протонам, атомам, причем количественные соотношения между волновыми и корпускулярными свойствами частиц те же, что и установленные раньше для фотонов. Т.е., если частица обладает энергией Е и импульсом, абсолютное значение которого равняется p, значит, с этой частицей связана волна частотой v=E/h и длиной
,
где h — в данном случае является постоянной Планка.
Это знаменитая формула де Бройля — одна из важнейших формул в физике микромира.
Стоит заметить, что длина волны де Бройля уменьшается с увеличением массы частицы m и ее скорости v: для частиц с 
правдиво 
.
Таким образом, частице массой 1 г, которая движется со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля длиной 
, настолько маленькой, что это невозможно наблюдать. Поэтому волновые свойства являются несущественными в механике макроскопических тел, что полностью согласуется с принципом соответствия.
Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?
Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества – чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет – это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.
Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны
Интересный факт
В работе 1801 года английский физик Томас Юнг описал создание двух узких пучков лучей, идущих от одного и того же источника. Опыт показал, что световые волны интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране темных и светлых полос. Используя пару узких щелей Юнг в конечном итоге заставил свет охватить весь листок бумаги.
Природа света
Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).
Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы – это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.
Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки
Основоположником волновой теории света был Христиан Гюйгенс, развивал ее Опасен-Жен Френель, а Джеймс Клерк Максвелл описал электромагнитное поле и электромагнитное излучение в своих уравнениях, сделав возможным понимание природы света. На основе интерференции можно строить голограммы и объяснить интерференцию и дифракцию.
Однако свет можно также рассматривать как поток частиц – фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.
Корпускулярно-волновой дуализм
Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна – и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.
Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.
Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.
По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других – как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».
Квантовая революция
Основоположник современной атомной физики, Нильс Бор, пытался разрешить экзистенциальную дилемму квантовой механики. Он изобрел принцип дополнительности, согласно которому в некоторых экспериментах квантовые объекты будут локализованы и действовать как частицы, а в других различных экспериментах точно такой же квантовый объект будет распространяться и действовать как волна.
В 2018 году исследователи из Университета Рочестера в статье, опубликованной в научном журнале Optica, сообщили, что разрешили эту странную и неизбежную корпускулярно-волновую двойственность, обнаружив тесную связь между двойственностью и другой столь же странной особенностью квантовой механики, а именно квантовой запутанностью. Подробнее о том, что представляет собой это удивительное явление, я рассказывала в этой статье.
Ведущий автор исследования Сяофэн Цянь и его коллеги пришли к выводу, что каждая из особенностей квантовой странности — запутанность и двойственность — точно контролирует другую.
Запутанность – это квантово-механическое поведение двух частиц, в котором ни одна из них не может быть описана отдельно, независимо от описания другой, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Это то же самое свойство, которое нобелевский лауреат по физике Эрвин Шредингер использовал для объяснения своего знаменитого мысленного эксперимента с участием кошки, счетчика Гейгера и небольшого количества яда в запечатанной коробке.
Совсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.
Новое открытие вытекает из открытия о двойственности, сделанного Уильямом Вуттерсом и Войцеком Зуреком, двумя аспирантами-физиками Техасского университета в Остине, когда они размышляли о знаменитом эксперименте по оптике, проведенном Томасом Юнгом. В 1979 году Вуттерс и Зурек предсказали, что в одном и том же эксперименте можно измерить как волнообразное рассеяние, так и частичную локализацию света, но сумма измеренных величин не может быть больше.
Исследователи из Рочестера, однако, отмечают, что эксперимент с двумя щелями Юнга также может привести к тому, что обе меры будут равны нулю, что противоречит принципу дополнительности Бора. Согласно общепринятой интерпретации, это означает, что ни частицы, ни волны нет, но свет все еще можно обнаружить, – говорит Цянь.
Это исследование мало назвать революционным – результатом является первое полное описание взаимодополняемости – недостающей части головоломки квантовой запутанности. Описывая способ учета запутанности, наряду с наличием волн и частиц, работа исследователей из Рочестера означает, что каждый эксперимент Юнга, связанный с двойственностью, даст измеренную сумму с точным значением, которая удовлетворяет условиям, изложенным Бором более девяти десятилетий назад.
Новые особенности
Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.
Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.
Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).
Новое, разработанное исследователями устройство – двухлучевой интерферометр – генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.
Сопряженные «холостые» фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, – пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.
Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.
T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1
Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.
Интересный факт
Как пишет в своей книге «Физика для каждого образованного человека» Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку – прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.
В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. «Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями», – писал он.
Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 14. Корпускулярно-волновой дуализм
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Квантовая теория – совокупность представлений, согласно которым электромагнитные волны излучаются, распространяются, поглощаются отдельными порциями, которые называются «квантами». Теория послужила основой для появления квантовой механики, объясняющей движение микрообъектов. Гипотеза была предложена М. Планком, развита А. Эйнштейном.
Интерференция – сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства. Результат зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны. Примером может служить окрашивание поверхности мыльного пузыря.
Фотоэффект – явление вырывания электронов из вещества под действием падающего на него света. Открыто в 1886 году Г. Герцем, подробно изучено А.С. Столетовым. Квантовая теория света дала возможность объяснить это явление. А. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.
Планетарная модель атома – предложена в 1906 году Э. Резерфордом. Согласно предложенной модели ядро атома имеет положительный заряд и располагается в центре, вокруг него по своим орбитам вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Оказалась несостоятельной.
Энергетические уровни – определенная энергия, которой характеризуется данный электрон в атоме, соответствующая его расстоянию от ядра. Термин предложен Н.Бором.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017 : с 64-71.
Открытые электронные ресурсы по теме урока:
Кеттерле В. Когда атомы ведут себя как волны. Бозе-эйнштейновская конденсация и атомный лазер. Нобелевская лекция. 2001 г. Электронный доступ : https://ufn.ru/ru/articles/2003/12/e/
Как объяснить корпускулярно-волновой дуализм. д.ф-м.н., профессор, профессор ВолГУ А. Морозов / Электронный ресурс: https://www.youtube.com/watch?v=FWWlclQ0ozs
Корпускулярно-волновой дуализм — Эмиль Ахмедов Открытый образовательный ресурс: ассоциация специалистов в сфере образования, науки и просвещения «Издательский дом “ПостНаука”» адрес доступа: https://postnauka.ru/video/81299
Теоретический материал для самостоятельного изучения
В классической физике частицы и волны резко противопоставлялись как олицетворение дискретности (прерывности) и непрерывности соответственно. В качестве существенных различий считалось, что частицы относительно строго локализованы в пространстве и движутся по определенным траекториям. Волны же наоборот не имеют строгой локализации и обладают следующими признаками: могут огибать препятствия, могут накладываться друг на друга, существовать в одной и той же точке пространства. При движении частиц происходит перенос вещества и энергии, а при распространении волн переноса вещества не происходит. Свойственное классической физике противопоставление вещества как дискретного образования и поля, как непрерывного, соответствует принципу «или – или». Однако исследование природы света сняла это противоречие.
Волновые свойства света
Ньютон в своем трактате «Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света», только выдвинул предположение, что свет обладает свойствами волны, однако не стал развивать эту идею. Ученый объяснял законы оптики с позиций корпускулярной теории. Считая свет потоком частиц
Однако, в 1801 году, Томас Юнг обнаружил явление интерференции у света, что характерно для всех волн. Суть явления заключается во взаимном усилении или ослаблении когерентных волн при наложении. Напомним, что «Когерентные» можно перевести как «синхронные», «согласованные»; у когерентных волн одинаковая частота (одинаковая длина волны). Если амплитуды волн света совпадут при наложении, то мы будем наблюдать усиление яркости светового пятна. Если волны будут противоположны по значению максимумов и минимумов (гребней и впадин), то мы можем добиться такого состояния, когда световое пятно не будет видимо. Волновая характеристика света помогла Т.Юнгу объяснить явление дисперсии (разложения) света призмой.
Если свет – это волна, то наряду с интерференцией должна наблюдаться и дифракция света. Ведь дифракция – огибание волнами краев препятствий – присуща волновому движению. В результате этого в области геометрической тени могут возникать светлые зоны. Наоборот, в области, куда в соответствии с законом прямолинейного распространения светового луча должен падать свет, может возникать темная зона.
Лишь после проведения качественных опытов, демонстрирующих интерференцию и дифракцию, волновая природа света стала признанной.
Корпускулярные свойства света
При этом количество выбитых электронов связано с частотой световых волн, но не с их интенсивностью. Другими словами, электроны будут вылетать с поверхности независимо от яркости света, но при условии, что электрон получит достаточную порцию энергии (напомним, что энергия пропорциональна частоте E=hν). Поскольку энергия кванта может быть поглощена только полностью, то не удивительно, что если энергия кванта света мала (большая длина волны), то и электрон не сможет покинуть вещество, т.е. не совершится работа выхода (Вспомните, что понимается под «работой» в физике). Квант света Эйнштейном был назван фотоном. Стоит отметить, что фотон это не абстрактная модель, это реально существующая частица, хотя и не имеющая массы покоя. Другими словами, фотон существует только в движении.
Корпускулярно-волновой дуализм света
Тем самым, электромагнитное поле проявляет одновременно и волновые, и квантовые (корпускулярные) свойства, как свойства непрерывности, так и свойства прерывности (дискретности). В одних явлениях (интерференция, дифракция) проявляются резче волновые свойства, в других (фотоэффект, фотохимические реакции) – квантовые свойства излучения. Однако ряд свойств можно объяснить в согласованности, как с волновых, так и квантовых позиций. Так, например, давление света можно объяснить в согласии с опытом как передачей фотонами (квантами света) импульса поверхности, на которую они падают, так и на основе представлений об электромагнитной волне, где электрическая составляющая возбуждает движение зарядов в проводящей поверхности, а магнитная обеспечивает действие сила Лоренца. Такого рода двоякое объяснение одного и того же явления говорит о том, что свет одновременно проявляет и те, и другие свойства, а потому одновременно обладает ими, обнаруживая единство. Это единство проявляется в основных характеристиках фотона. Он обладает, как любая частица, энергией (hν), массой(
), и импульсом (
), но эти корпускулярные характеристики выражаются через сугубо волновую характеристику – частоту.
Одновременно обладая и теми и другими свойствами, свет не всегда одновременно их проявляет. В зависимости от условий резче проявляются одни или другие свойства. Такая двойственность света называется корпускулярно-волновым дуализмом.
Волновые свойства вещества
Итак, электромагнитное излучение обладает одновременно свойствами волн и свойствами частиц.
Но оказалось, что эта двойственность характерна не только для поля, что ей обладают и любые микрообъекты. Например, частица вещества – электрон.
Так, согласно современным представлениям, наряду с волнами электромагнитного поля имеются волны вещества. (Вспомним про тепловые излучения!). Эта идея, предложенная в 1924 году Луи де Бройлем, также была подтверждена опытным путем. Суть опыта состояла в том, что поток электронов определенной энергии направлялся на тонкую пластинку и после этого попадал на фотопластинку, на которой обнаруживалась типичная дифракционная картина. Электроны дифрагировали как волны.
С этих позиций изменились и современные представления о строении атома. На смену планетарной модели Эрнста Резерфорда, согласно которой электроны как планеты вращаются по своим траекториям пришла новая модель. Описанная по подобию движения планет Солнечной системы старая модель оказалась не состоятельной, поскольку не могла объяснить, почему электрон не падает на ядро, и почему спектры излучения и поглощения атомов линейчатые. Сегодня при описании атома учитывается дуальная природа электрона, существование которого связано с некоторым «стационарным» состоянием, в котором он свою энергию не теряет. Энергию электрон тоже может изменить дискретно при поглощении или испускании квантов. Таким образом существование электрона в атоме связано с энергетическими уровнями, которые, вследствие волновой природы электрона, можно представить, как области пространства вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью мы можем его зафиксировать. Современные представления о микромире не могут быть описаны понятиями классической механики, поэтому на смену понятию орбита, приходит менее категоричное – орбиталь.
Из вероятностного характера описания следует крах концепции детерминизма (предполагает однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицает объективность случайности). В соответствии с квантовой теорией будущее состояние любой системы может быть предсказано лишь с некоторой вероятностью. Идея вероятностного характера процессов в микромире постепенно была распространена и на процессы в нашем макромире. Наше будущее, таким образом, не является жестко определенным.
Единство волновых и корпускулярных свойств, дискретности и непрерывности, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть общая черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все микрочастицы. И это еще одно доказательство единства материального мира.
Свет (электромагнитные волны) осуществляет распространение энергии порциями – квантами, проявляя наравне с волновыми и квантовые свойства.
Электрон в определенных условиях ведет себя как волна.
Волна, соответствующая определенной частице, определяет вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.
Всем микрочастицам присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. В то же время любую из микрочастиц нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании. К корпускулярному и волновому описанию следует относиться как к дополняющим друг друга точкам зрения на один и тот же круг явлений.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.
Задание1. Выберите один ответ
Интерференцией света объясняется физическое явление:
А: красный цвет абажура настольной лампы, светящейся белым светом
Б: красный цвет мыльной пленки, освещаемой белым светом
В: проявление цветного спектра настольной лампы, светящейся белым светом
Правильный ответ: Б
Пояснение: явления под А и В связаны с дисперсией
Задание2. Вставьте пропущенные элементы в тексте по смыслу:
«Единство ___________и корпускулярных свойств, дискретности и_____________, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть ________черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все________. И это еще одно доказательство единства материального мира»
Варианты элементов для подстановки: непрерывности; общая; тела; микрочастицы; волновых; частная
Ответ: «Единство волновых и корпускулярных свойств, дискретности и непрерывности, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, есть общая черта материальных объектов, которой обладают и поля, и все микрочастицы. И это ещё одно доказательство единства материального мира»