Представление о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества

 

Развитие представлений о фотонной природе света привело к признанию в начале 20-х гг. XX в. идеи корпускулярно-волнового дуализма (двойственной природы) для электромагнитного излучения. Согласно этой идее, волна с определенной частотой ν и длиной волны λможет быть представлена как поток фотонов с определенной энергией E и импульсом p. Другими словами, свет имеет двойственную природу, так как он может проявлять свойства как волны,например в эффектах интерференции и дифракции, так и частицы(фотоэффект и др.). Наглядный образ такой волны-частицы представить затруднительно, хотя отдельно волну или отдельно частицу в покое или в движении представить достаточно легко. Частица – это нечто неделимое, целостное, локализованное в пространстве вне зависимости от состояния покоя или движения. Волна (волновой процесс) представляет собой распространение колебаний упругой среды или переменного электромагнитного поля с разной частотой и амплитудой. Волна связана с передачей энергии и не имеет локализации в пространстве. Модель (достаточно приближенную) волны представляет изгиб веревки, перемещающийся по ее длине после энергичного взмаха вверх-вниз рукой с ее зажатым концом в ладони. В обычном (классическом) понимании волны и частицы не могут быть сведены друг к другу.

В 1924 г. Луи де Бройль распространил идею корпускулярно-волнового дуализма на все микрообъекты. Любой микрообъект он наделил, с одной стороны, корпускулярными характеристиками (энергия Е и импульс р), а с другой – волновыми (частота v или длина волны λ и волновое число k). Оригинальность этой идеи состояла в том, что теперь, например, электрону,который всегда был известен как элементарная частица вещества, приписывают еще и волновые свойства,в частности длину волны λ = h/p = h/mv, которую называют дебройлевской длиной волныэлектрона. В отличие от света, для электронов и других микрообъектов (нерелятивистских) с конечной массой покоя зависимость между энергией и импульсом имеет вид Е = р ² / 2 т. Эти волны де Бройль назвал «волнами материи»и ввел для их математического описания волновую функцию, которая описывает их поведение в пространстве и времени. Данная волна не несет энергии, а только отображает некий периодический процесс в пространстве и времени. Волны материи, связанные с частицами, не похожи на обычные волны, например на распространяющиеся по воде. Это просто некие абстрактные математические функции.

Таким образом, вещество и свет могут проявлять как волновые свойства, так и свойства частиц.Длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе микрообъекта. В связи с этим, чем больше микрообъект, тем меньше длина волны.

Идея квантово-волнового дуализма отражает потенциальную способность микрообъектапроявлять различные свойства в зависимости от тех или иных внешних условий. В одних условиях он ведет себя как волна, в других – как частица.

Квантовая теория излучения энергии вводит понятие дискретности. Для ее описания требуется определенная мера, роль которой играет постоянная Планка h. Она отделяет микромир от макромираи определяет шаг квантования. С другой стороны, постоянная Планка органически связана с идеей дуализма,так как она осуществляет "связь" между корпускулярными(энергия и импульс) и волновыми(частота и волновой вектор) характеристиками. Постоянная Планка является фундаментальной константой в физике. Эта размерная постоянная позволяет количественно оценить существенность квантовых эффектов при описании каждой конкретной физической системы микромира.

Когда условия задачи относятся к макромиру, ее решение не требует применения аппарата квантовой механики и используется аппарат классической физики (не квантовой). Постоянная Планка в этом случае не используется.