Ядерна фізика. Частина 6. Частинка чи хвиля?

Ця стаття є частиною циклу з 8 статей про ядерну фізику.

Початок

Попередня частина

Коли фізичну картину світу вважали майже завершеною, було відкрите інше цікаве явище, яке змусило переглянути питання про природу світла — фотоефект. Явище полягає в тому, що світло вибиває електрони з металів, та найбільша цікавинка полягає в тому, від чого передана енергія залежить. Якби світло цілком поводило себе як класична електромагнітна хвиля, тоді один електрон отримував би енергію, що залежить від амплітуди хвилі, тобто інтенсивності світла. Натомість досвіди показали, що енергія яка передається одному електрону залежить виключно від кольору світла, тобто довжини хвилі. Це повністю суперечить хвильовій оптиці. Звичайно такі явища, як інтерференція, нікуди не поділися, але стало зрозумілим, що такою “хвильовою” поведінкою властивості випромінювання не вичерпуються.

Низка додаткових експериментів змусила дивитися на світло, як на скупчення частинок, що мають енергію, яка залежить від їх “кольору” (відповідник довжини хвилі). Ці частинки назвали фотонами. Колір, що відповідає довшій хвилі (меншій частоті), вказує меншу енергію частинки випромінювання, натомість кольори, що відповідають коротшим хвилям, є ознакою більшої енергії. Один фотон, стикаючись з електроном металу, віддає останньому свою енергію — і звідси така дивна залежність.Також стає зрозуміло, що світло не всіх кольорів здатне вибивати електрони з металу — енергії фотонів деяких кольорів просто недостатньо для цього. З цим пов’язане поняття червоної границі фотоефекту що існує для кожного металу.

Ще одним доказом, який остаточно переконав науковців, що електромагнітне випромінювання складається з фотонів, є явище комптонівського розсіяння. Це коли фотон розсіюється на електроні, але передає йому лише частину своєї енергії. Після зіткнення він летить в іншому напрямку та має меншу енергію.Це дещо схоже на зіткнення більярдних кульок. Наразі фізикам відоме також явище зворотної передачі енергії при такому зіткненні— від електрона до фотона.

Перехід до розуміння природи світла як потоку фотонів — частинок, які також мають “хвильову” поведінку, вимагав певних пояснень. Що саме робило ці фотони такими винятковими? Луї де Бройль висловив дуже сміливу гіпотезу корпускулярно-хвильового дуалізму, яка полягає в тому, що інші частинки також здатні поводитися як хвилі. Після відкриття явища інтерференції електронів на двох щілинах її було визнано. Наразі відомо про “хвильову” поведінку всіх елементарних частинок.

З цих відкриттів виріс новий напрямок фізики — квантова механіка. Це теорія, що описує об’єкти мікросвіту враховуючи описані вище особливості, і показала себе в тому, що завдяки їй було передбачено багато явищ. Вона є досить складною, але деякі прості факти з неї ми зараз обговоримо.

Давайте зараз звернемо увагу на те, яких властивостей макроскопічних відповідників понять корпускули і хвилі елементарні частинки не мають. Якщо уявити собі частинки як “класичні” кульки, то можна було б сподіватися, що їх рух можна описати траєкторією, тобто в кожний момент часу вказати точне місце положення і швидкість. Натомість в мікросвіті такого зробити не можна, там рух описується більш складними рівняннями, що враховують хвильові властивості. Існують принципові обмеження на точність одночасного визначення кінематичних параметрів, що описуються принципом невизначенності:

Отже чим точніше ми обмежуємо положення частинки, тим більшою стає невизначеність її імпульсу. Тобто траєкторії у звичному нам сенсі не існує. Стала Планка, яка фігурує в правій частині цього співвідношення, описує також критерій застосовності класичної та квантової фізики. Власне вона описує масштаби розмірів, коли “мікроскопічні” ефекти стають відчутними.

Наступна частина

Література

1. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982
2. Сивухин Д. В.Общий курс физики. — М.: Наука, 1986 — Т. IV. Оптика.
3. Сивухин Д. В.Общий курс физики. — М.: Наука, 1986 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 1: Атомная физика.
4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика в десяти томах. — М: Наука, 1989 — Том 3: Квантовая механика. Нерелятивистская теория.