1.3. Волновые свойства материальных объектов

 

Для волновых объектов характерны два явления, отличающие их от материальных (корпускулярных) объектов. Это интерференция и дифракция. Интерференция представляет собой наложение волн, идущих навстречу друг другу.

Если на пути волны (волнового процесса) оказалось препятствие, то, дойдя до препятствия, волна разделяется на две волны. В случае, когда размер препятствия примерно равен длине волны, эти две волны огибают препятствие и дают своеобразную картину наложения волн – чередование зон усиления и погашения. Это и есть дифракция, а соответствующая картина – дифракционная картина. Именно явление дифракции используется в практике для доказательства волновых свойств у тех или иных объектов. Еще раз обратим внимание, что условием дифракции является примерное равенство размера препятствия (параметра дифракционной решетки) и длины волны.

Как уже говорилось, волновые объекты обладают свойствами частиц (корпускулярными свойствами), энергия такой частицы (кванта) составляет величину hν. С другой стороны, согласно общей теории относительности полная энергия, запасенная любым материальным объектом массы m, составляет величину mc². Отсюда:

; (1.14)

Если волновые объекты имеют свойства частиц, то почему не наоборот – материальные объекты (частицы) имеют волновые свойства?! В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о двойственной природе любого объекта. Эти взгляды легли в основу современных представлений о строении вещества, так называемой концепции корпускулярно-волнового дуализма. Она гласит: материальные свойства (частицы) и волновые свойства одновременно присущи любому объекту, взаимно дополняют друг друга, но убедиться в проявлении тех или иных свойств можно только порознь. Согласно представлениям де Бройля любой объект массой m характеризуется длиной волны, равной , она так и зовётся волна де Бройля. Для объектов окружающего нас мира длина волны де Бройля чрезвычайно мала. Действительно, пусть тело массой 1 г движется со скоростью 1 см/c. Тогда длина волны такого объекта составит

Эту величину нельзя представить, ведь мы не знаем объекты размером меньше 10^–8 см (размер атома)! А убедиться в проявлении волновых свойств можно только имея дифракционную решётку с параметром, сопоставимым с длиной волны. Следовательно, для нашего объекта (1 г, 1 см/с) мы никак (никогда) не сможем убедиться в проявлении волновых свойств.

Очевидно, можно пытаться обнаружить волновые свойства лишь у чрезвычайно лёгких объектов–электронов, нейтронов, ядер лёгких элементов. В своё время именно для таких объектов были выполнены эксперименты, убедительно доказавшие правильность представлений де Бройля. Сделано это было так.

Пучок электронов с известной скоростью был пропущен через дифракционную решётку, в роли которой использовали кристалл с размером частиц, равным длине волны де Бройля, вычисленной для электронного пучка. Фотопластинка, стоявшая за кристаллом, запечатлела полученную при этом дифракционную картину. Затем через тот же кристалл было пропущено излучение с длиной волны, в точности равной длине волны де Бройля для электронного пучка. Опять на фотопластинке была получена дифракционная картина. Когда её сопоставили с первой фотопластинкой, то полученные на них изображения полностью совпали.

Математическим выражением концепции корпускулярного волнового дуализма является принцип неопределённости В. Гейзенберга:

,

где DХ – неточность в определении координаты Х; DР_х – неточность определения импульса вдоль оси Х.

Чем точнее определяется координата Х (чем точнее выявляются свойства частицы), тем грубее определяется DР_х (тем хуже выявляются волновые свойства), и наоборот.

Энергия отрыва электрона от атома в основном состоянии называется энергией ионизации (Е_ион.). В частности, для водородоподобных частиц в соответствии с теорией Бора она равна:

(1.15)

Часто энергию ионизации делят на величину заряда электрона и получают потенциал ионизации ( ), который обычно выражают в вольтах (В). Ясно, что

I₁ < I₂ < I₃ < …,

поскольку с увеличением числа отрываемых электронов растёт заряд положительного иона, всё более сильно притягивающего электроны.

Энергия, выделяющаяся при добавлении электрона к нейтральному атому, переходящему при этом в отрицательный однозарядный ион, называется сродством к электрону. Сродство к двум или более электронам отрицательно. Наиболее часто энергию ионизации и сродство к электрону выражают в электроновольтах (эВ). 1 эВ=1,60∙10^–19 Дж = 1,60∙10^–12 эрг.