17.Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Тормозное и характеристическое рентегновское излучение. Волны де-Бройля. Соотношения неопределённостей Гейзенберга.

Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX века и вытекал из предшествующих представлений о свете.

         Ньютон считал, что свет - поток корпускул, т. е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и интерференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.

       Только в XIX веке  Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет - поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет - один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX века, благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.

       Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Позднее  французский физик Л. де Бройль высказал идею, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальную природу, т.е. присущ всем частицам вещества. Позже эта гипотеза подтвердилась экспериментально.

Рентгеновским излучением называется электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 10-14 до 10-7 м.

Тормозное (белое) рентгеновское излучение возникает в результате торможения летящего электрона в веществе.

В процессе торможения электрон может как потерять свою кинетическую энергию сразу целиком (что бывает исключительно редко), так и отдавать ее по частям.

Потеря кинетической энергии сопровождается испусканием кванта излучения, энергия которого равна величине потерянной энергии.

Так как электрон теряет свою энергию по частям, при его торможении возникают кванты излучения с различными длинами волн. Излучение имеет сплошной спектр, ограниченный минимальной длиной волны

где Wk – кинетическая энергия движущегося электрона.

Если электрон приобрел кинетическую энергию под действием ускоряющего напряжения U, то

а длина волны излучения, соответствующая максимуму интенсивности излучения в спектре равна

Второй вид рентгеновского излучения – характеристическое – образуется в результате передачи энергии летящего электрона электронам атомов вещества. При удалении электрона из атома его место занимают электроны атома с большей энергией, а избыток энергии излучается в виде кванта. Характеристическое рентгеновское излучение имеет линейчатый спектр, разделенный на несколько серий, параметры которого могут служить однозначной характеристикой элемента.

Волны де Бройля — волны, связанные с любой микрочастицей и отражающие их квантовую природу.

Для частиц не очень высокой энергии, движущихся со скоростью , импульс равен p = mv (где m — масса частицы), и λ = h / mv. Следовательно, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и её скорость. Например, частице с массой в 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с м, что лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому волновые свойства несущественны в механике макроскопических тел. Для электронов же с энергиями от 1 эВ до 10 000 эВ длина Волны де Бройля лежит в пределах от ~ 1 нм до 10-2 нм, то есть в интервале длин волн рентгеновского излучения. Поэтому волновые свойства электронов должны проявляться, например, при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновских лучей.

Подтвержденная на опыте идея де Бройля о двойственной природе микрочастиц — корпускулярно-волновом дуализме — принципиально изменила представления об облике микромира. Поскольку всем микрообъектам (по традиции за ними сохраняется термин «частица») присущи и корпускулярные и волновые свойства, то, очевидно, любую из этих «частиц» нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании.

Принцип неопределённости Гейзенбе́рга: микрочастица не может иметь одновременно и определенную координату (x, y, z), и определенную соответствующую проекцию импульса (px, py, pz).

Величина неопределенности координаты и импульса подчиняется соотношениям

что накладывает ограничения на возможности описания движения частицы по некоторой траектории.

Если частица движется в макроскопической области пространства, то неопределенность скорости ее движения мала по сравнению с величиной скорости.

Если частица движется в микроскопической области пространства (движение электрона по атомной орбите), то неопределенность скорости сравнима с величиной скорости.

Второй вариант формулировки принципа неопределенности может быть записан в виде

где ΔW – неопределенность энергетического состояния микрочастицы (что вытекает из неопределенности ее импульса), Δt – промежуток времени, в течение которого это энергетическое состояние существует.

Принцип неопределенности не вносит ограничений в объекты классической механики – макроскопические тела, так как у таких объектов не проявляются волновые свойства.

.