Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм? Це характеристика фотонів та інших субатомних частинок, які ведуть себе при одних умовах як хвилі, а при інших — як частинки.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовин і світла є важливою частиною квантової механіки, оскільки з його допомогою найкраще демонструється той факт, що таких понять, як «хвилі» і «частинки», які прекрасно працюють в класичній механіці, недостатньо для пояснення поведінки деяких квантових об’єктів.

Двоїстий характер світла отримав визнання у фізиці після 1905 року, коли Альберт Ейнштейн описав поведінку світла за допомогою фотонів, які були описані як частинки. Потім Ейнштейн опублікував менш знамениту спеціальну теорію відносності, в якій світло, було описане поведінкою хвиль.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм — запропонована Луї де Бройлем гіпотеза про те, що будь-яка елементарна частка має хвильові властивості, а будь-яка хвиля має властивості, характерні для частинки.

Гіпотеза де Бройля з'явилася тоді, коли стало відомо, що електромагнітні хвилі випромінюються й поглинаються порціями — квантами. Тобто, хвилі демонструють властивості, які раніше приписувалися лише частинкам (корпускулам).

Де Бройль висловив гіпотезу, що справедливе обернене твердження: будь-яка елементарна частинка має також хвильові властивості. Він оцінив довжину хвилі частинки, виходячи з енергетичних міркувань. Якщо електромагнітна хвиля з частотою ν має енергію, то схожим чином можна визначити також частоту (а отже, й довжину хвилі) інших частинок, наприклад, електронів.

Гіпотеза де Бройля. У 1923 р. французький фізик Луї де Бройль (1892-1987) розширив уявлення про корпускулярно-хвильовий дуалізм. Усвідомлюючи наявну в природі симетрію, він використав принцип симетрії та висловив таку гіпотезу: оскільки світло поводить себе в одних випадках як хвиля, а в інших — як частинка, то й об'єкти природи, які ми вважаємо частинками (електрони та інші матеріальні тіла), мають хвильові властивості.

Величину λ називають дебройлівською довжиною хвилі.

Дебройлівська довжина хвилі звичайного тіла дуже мала, щоб її можна було виявити та виміряти. Так, наприклад, дебройлівська довжина хвилі м'яча масою 200 г, що летить зі швидкістю 15 м/с становить приблизно 2,2 · 10-34 м. Пригадайте, що типові хвильові властивості — інтерференція та дифракція — виявляються тільки в тому разі, коли розміри предметів або щілин співрозмірні з довжиною хвилі. Оскільки нам не відомі предмети або щілини, на яких би могли дифрагувати хвилі довжиною 2,2 · 10-34 м, то хвильові властивості звичайних тіл виявити не вдається.

Для тіл малої маси (наприклад, електронів) дебройліська довжина хвилі має вже значно більше значення. Так, електрону, що рухається зі швидкістю 5,6· 106 м/с відповідає дебройлівська довжина хвилі 1,2 · 10-10 м. Такі хвилі вже можна виявити експериментально.

Дифракція електронів. Оскільки міжатомні відстані в кристалі твердого тіла за величиною порядку 10-10 м і розташовані атоми в кристалі впорядковано, то кристал можна використати як дифракційну ґратку.

У 1927 р. американські фізики Клінтон Девіссон і Лестер Джермер досліджували відбивання електронів від монокристала нікелю (мал. 193, а). У проведених дослідах спостерігався неоднаковий розподіл відбитих пучків електронів. Отримані результати можна було пояснити як результат дифракції електронів. Незабаром у 1928 р. англійський фізик Джордж Томсон (син Джозефа Томсона) спостерігав дифракцію електронів під час проходження ними тонких металевих плівок. На малюнку 193, б зображено дифракційну картину від розсіювання електронів на алюмінієвій фользі, а на малюнку 193, в — аналогічну фотографію, отриману при опроміненні фольги рентгенівським випромінюванням.

Існування дифракції електронів незаперечно свідчить про хвильові властивості електронів. Як показали дослідження, хвильові властивості мають не лише електрони, а й інші частинки: протони, нейтрони та ін.

Ідея квантування — одна з найважливіших ідей у науці ХХ ст. На її основі виникла й розвивається квантова фізика, яка дає можливість вивчати особливості мікросвіту — світу атомів, елементарних частинок та їх взаємодій. Не вдаючись у деталі математичного апарату квантової фізики (він досить складний), ми розглянемо, як, зокрема, вирішується основна задача механіки в квантовій фізиці. У мікросвіті можна лише передбачити, з якою ймовірністю в даний момент часу частинка може перебувати в певній точці простору. Для цього користуються співвідношенням невизначеностей, установленим у 1927 р. німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976, Німеччина). Згідно із цим принципом, ми не можемо знати одночасно точних значень координати х і відповідної цій координаті складової імпульсу рх частинки.

Коли Вернера Гейзенберга запитали, як уявити атом, він відповів: «Навіть не намагайтеся». Ви досить часто бачили малюнки, на яких частинки атома зображують у вигляді кульок. Але насправді це не так. Зважаючи на хвильову природу, електрон, рухаючись в атомі, займає тривимірну ділянку, як лопаті вентилятора, що в процесі обертання здатні заповнити кожний клаптик простору.

Завдяки квантовій фізиці вдалося пояснити будову атома, умови заповнення орбіталей електронами тощо.

Принцип невизначеності є фундаментальною засадою квантової механіки, яка стверджує, що принципово неможливо одночасно виміряти з довільною точністю координати й імпульси квантового об'єкта. Це твердження справедливе не лише щодо вимірювання, а й щодо теоретичної побудови квантового стану системи. Тобто, неможливо побудувати такий квантовий стан, в якому система одночасно характеризувалася б точними значеннями координати та імпульсу.

Принцип невизначеності сформулював у 1927-му німецький фізик Вернер Гейзенберґ. Це стало важливим етапом у з'ясуванні закономірностей атомних явищ і побудови квантової механіки.

Квантовомеханічний принцип невизначеності аналогічний твердженню з оптики про те, що монохроматичний пучок світла не можна сфокусувати точніше, ніж до розмірів порядку довжини хвилі. У квантовій механіці частинки, такі як електрони, протони чи нейтрони, теж мають хвильові властивості, тобто справедливий корпускулярно-хвильовий дуалізм. Через це електрон, протон чи будь-яку іншу частинку або фізичну систему, неможливо сфокусувати в просторі до розмірів менших за половину довжини хвилі.