Корпускулярно-волновой дуализм

Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась  Бором как выходящая за рамки  чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется  в настоящее время), что интерпретация  квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования  человеческих понятий, возникающих  из разделения «субъекта и объекта».

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может  быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы  не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и  требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих  дополнительных понятий. К числу  таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика  и др. Бор, в частности, видел необходимость  применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно  сложным строением и функциями  живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые  возможности.

Соотношения неопределенностей  Гейзенберга. Двойственная природа  микрочастиц поставила науку  перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица  движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая  волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса.  Другими словами, мы можем говорить о значениях  координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг. Он показал, что эти  неопределенности (неточности) удовлетворяют  следующим соотношениям:

        DX×DPX³h;      DY×DPY³h;      DZ×DPZ³h;    DW×Dt³h.

Эти неравенства  называются соотношениями неопределенностей  Гейзенберга.

Таким образом, если мы знаем положение X импульс  Р микрочастицы (например, электрона  в атоме) с погрешностями DX и DPX, то эта погрешность не может быть меньше, чем h. Этот предел мал, поскольку мала сама h – постоянная Планка, но он существует, и это фундаментальный закон природы. Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.

 Из соотношения  неопределенностей видно, что  с увеличением массы частицы  ограничения, накладываемые им  уменьшаются. Например, для пылинки  m=10-13кг, координата которой получена  с точностью до ее размеров, т.е. DX=10-6м, получаем DVX=1,0×10-15 м/с. Эта  неопределенность практически не  будет сказываться ни при каких  скоростях, с которыми может  двигаться частица. Для макроскопических  тел соотношение неопределенностей  не будет вносить никаких ограничений  в возможность применить для  них понятия координаты и скорости  одновременно. Дело в том, что  постоянная Планка в этих случаях  может рассматриваться пренебрежимо  малой. Это приводит к тому, что квантовые свойства изучаемых  объектов оказываются несущественными,  а представления классической  физики – полностью справедливыми.  Аналогично при скоростях, намного  меньших скорости света, выводы  теории относительности совпадают  с выводами классической механики.

Таким образом, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и  релятивистской механики для малых  масс и скоростей. Это положение  связано с так называемым принципом  соответствия, имеющим важное философское  и методологическое значение. Принцип  соответствия может быть сформулирован  следующим образом:

Теории, справедливость которых была экспериментально установлена  для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а  сохраняют свое значение для прежней  области явлений, как предельная форма и частный случай новых  теорий. 
 

     3. Применение явления  корпускулярно –  волнового дуализма.

     В науке и технике широко используются как корпускулярно – волновые свойства микрочастиц так и электронов.

     Фотоэффект  нашел широкое применение в телевидении, на производстве для счета деталей, их сортировки. В промышленной автоматике. В последнее время широко стали  использовать фотоэлементы, главная  задача которых в преобразовании падающего на них излучение в  электрический ток. Фотоэлементы используют как элементы питания бытовой  техники, космический аппаратов (спутников).

     Дифракция электронов широко используется для  исследования строения вещества. Несмотря на то, что диапазон длин волн электронов тот же, что и для рентгеновских  лучей, электронная дифракция позволяет  решать задачи, существенно отличные от тех, которые доступны рентгеноструктурному анализу. Это имеет место по следующим  причинам:

• рентгеновские лучи рассеиваются электронной оболочкой атома и практически не рассеиваются атомными ядрами. Наглядное классическое объяснение состоит в том, что ядра атомов, в силу большей массы, практически не испытывают ускорения в электромагнитном поле фотона и, следовательно, не испускают рассеянных волн, как электроны. Электроны же взаимодействуют благодаря электромагнитным силам не только с электронами атома, но и с ядром. Расчет показывает, что интенсивность рассеяния электронами пропорциональна их числу в атоме, т. е. Z, а интенсивность рассеяния ядром заряда Ze пропорциональна Z². Таким образом, основная доля электронов рассеивается атомным ядром. То, что интенсивность рассеяния ядром пропорциональна Z², позволяет различать атомы даже с близкими Z. Кроме того, рентгеноструктурный анализ не позволяет обнаруживать положение атома водорода в молекуле или кристалле, так как единственный электрон атома водорода при этом "обобществляется", входя в состав общей электронной оболочки, а протон практически не рассеивает рентгеновских лучей. Электронографический анализ позволяет находить положение протонов.
• рентгеновские лучи рассеиваются в веществе весьма слабо. Для получения рентгенограммы необходима достаточно большая толща вещества и экспозиция в течение многих часов. Электроны взаимодействуют с веществом, благодаря наличию заряда, очень сильно и позволяют получать прекрасные электронограммы от тончайших пленок толщиной, например, в 20 – 30 А. Снимок получается при экспозиции в несколько секунд. Дифракция электронов позволяет исследовать, например, изменение структуры тончайшего поверхностного слоя металлов при их полировке, что совершенно невозможно сделать методами рентгеноструктурного анализа, хотя и представляет огромный интерес для прикладных целей, так как именно структура поверхностных слоев металла определяет устойчивость детали на износ.

     Формула де Бройля применима к любым частицам, и простым и сложным. Однако дифракционные  явления, следовательно, волновые свойства частиц, можно заметить далеко не всегда. Это происходят в силу того, что  длина волны де Бройля обратно  пропорциональна массе частиц.

     Если  для электрона с энергией в 1 эв получается сравнительно очень большая величина λ=12,3А, то для протона той же энергии она составляет уже λ = 0,28А, а для молекулы кислорода при комнатной температуре λ = 0,14А. Кроме малости длины волны, исследования дифракции атомов и молекул затрудняются тем, что атомы и молекулы неспособны проникать в толщу кристалла и поэтому могут дать лишь дифракцию от поверхностей решетки кристалла. Трудно также получить достаточно монохроматический атомный или молекулярный пучок. В настоящее время проводят исследование структуры вещества с помощью дифракции нейтронов - "нейтронографии". Дифракция нейтронов позволяет исследовать упорядоченные структуры сплавов типа FеСо, FeMn, у которых близость атомных номеров не позволяет различать методами дифракции рентгеновских лучей или электронов атомы различных типов. Нейтроны рассеиваются ядрами этих атомов различно, и установить их взаимное расположение оказалось возможным методом нейтронографии. Любопытно, что установить структуру кристалла льда – определить расположение в нем атомов кислорода и водорода – удалось лишь методом нейтронографии.

     Что касается макроскопических частиц материи, то их дифракцию наблюдать невозможно. Например, для пылинки массой 10^-12 грамм волна де Бройля имеет величину порядка 10^-17м.

     При такой длине волны невозможно реализовать условия, с помощью  которых можно было бы наблюдать  дифракцию, т. е. макроскопические частицы  проявляют явно только одну сторону  своей природы – корпускулярную.

     Таким образом, новая теория, трактующая материальные частицы как объекты двойственной корпускулярно-волновой природы, не отбрасывает  старых корпускулярных представлений  о макроскопических частицах материи, но, обосновывая эти представления  с новой точки зрения, одновременно дает и пределы их применимости в  новых условиях.

     Выводы.

     Корпускулярно – волновой дуализм, а также опыты  по дифракции электронов и протонов показали, что микрочастицы владеют  волновыми свойствами и не являются материальными частицами в классическом понятии этого слова. Это привело  к дальнейшему развитию квантовой  механики, которая для микрочастиц  ввела понятия делокализации и волновой функции. Принцип неопределенности Гейзенберга показал невозможность одновременного нахождения двух параметров для микрочастиц. Электрон, как и фотон не может иметь одновременно определенную координату и импульс:

     Корпускулярно – волновой дуализм выступил той  основой, на которой была построена  почти вся современная физика, квантовая механика, физика микрочастиц, астрономия. На основе этого принципа работают современные научные и  бытовые приборы, инструменты, как  пример можно привести разнообразные  фотоэлементы которые можно встретить  как в научной аппаратуре, так  и в быту. Исследование вещества не было бы возможно без электронного микроскопа и электронографических методов. Но, конечно, не в этих многочисленных прикладных применениях корпускулярно  – волнового дуализма его основная ценность. Исключительная роль данной теории определяется тем, что она  выступает фундаментом всего  естествознания. Уровень этой науки  определяет на сегодня уровень понимания  всего окружающего нас мира, определяет уровень интеллектуальной зрелости человечества. Без этой теории и  построенных на ней выводов невозможно понять прошлое нашего мира, невозможно понять основные процессы, идущие в  нем. Невозможно прогнозировать будущее. История физики учит, что каждый новый успешный шаг на пути  познания фундаментальных закономерностей  природы неизбежно приводил к  огромным (и почти всегда довольно неожиданным) изменениям в технике  и радикальным образом сказывался на жизни всего человечества. Достаточно вспомнить о тех плодах, которые  принесли людям такие абстрактные  теории, как электродинамика, теория относительности. Поэтому и квантовая  электроника, основанная на корпускулярно  – волновом дуализме принесет немало изменений в наш мир. 

Список  использованной литературы:

1.Дущенко В. П., Кучерук И. М. Общая физика. – К.: Высшая школа, 1995. – 430 с.

2.А.А. Детлаф Б.М. Яворский «Курс физики» изд. «Высшая школа» 2000 г.

3.Т.И. Трофимова «Курс физики» изд. «Высшая школа» 2001 г.