В результате изучения свойств света выяснилось, что в оптических явлениях обнаруживается своеобразная двойственность природы света. С одной стороны, известно, что в экспериментах по интерференции и дифракции света наглядно проявляются его волновые свойства. С другой стороны, в других экспериментах обнаруживаются его корпускулярные свойства (фотоэффект, явление Комптона). Объяснение этой ситуации можно найти, если принять, что свет имеет двойственную природу: в одних экспериментах свет проявляет себя как поток частиц, в других − как типичный волновой процесс. Двойственная природа света нашла свое отражение в принципе дополнительности, который был сформулирован Н. Бором. Он является фундаментальным принципом квантовой механики, поскольку позволяет понять процессы, которые происходят в микромире. Согласно принципу дополнительности, корпускулярные и волновые свойства света как бы дополняют друг друга и только вместе дают полное понимание того, что представляет собой свет. Двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма и явилась исходным пунктом для становления квантовой механики.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль, опираясь на представления о симметрии свойств в природе, высказал гипотезу том, что поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других как квазичастица, то и материальные частицы должны обладать волновыми свойствами. Де Бройль предположил, что каждой частице, обладающей импульсом р, должна соответствовать длина волны, связанная с модулем импульса р тем же соотношением, что и для фотона, т. е. дебройлевская длина волны частицы
Формула 8.1.1
Смелость мысли де Бройля заключалась не только в ее новизне и необычности, но и в универсальности. Ведь, согласно де Бройлю, любой материальный объект, имеющий импульс, обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, Ненаблюдаемость волновых свойств у классических объектов обусловлена тем, что типичные волновые явления − интерференция и дифракция проявляются только тогда, когда размеры этих объектов сопоставимы с длиной волны де Бройля. Например, для пылинки массой 10-12 кг движущейся со скоростью υ ∼ 10-4 м/с длина волны де Бройля равна ∼ 6,63 · 10-18 м. Но в природе нет предметов или щелей, размеры которых сопоставимы с такой длиной волны. Поэтому нельзя наблюдать волновые свойства объектов, изучаемых в классической физике. А например, для электрона, ускоренного разностью потенциалов U = 50 В, длина волны де Бройля равна 1,74 · 10−10 м, что уже сопоставимо с межатомными расстояниями в кристалле.
Волновые свойства электронов экспериментально были обнаружены в 1927 г. независимо К. Дэвиссоном и JI. Джермером, а также Дж. Томсоном и П. Тартаковским.
Опыт Дэвиссона и Джермера заключалось в том, что они исследовали отражение медленных электронов (с энергией около 50 эВ) от поверхности монокристалла никеля. Схема опыта представлена на рис. 8.2.1. Пучок электронов падал на поверхность монокристалла никеля, структура которого была хорошо известна из данных рентгеноструктурного анализа. Рассеянные электроны улавливались специальным электродом C, подключенным к чувствительному гальванометру. Электрод мог перемещаться так, чтобы улавливать электроны под различными углами. В частности при энергии 54 эВ, получался максимум интенсивности отраженный электронов для угла отражения 50°. Длина волны де Бройля для электронов с такой энергией составляет, согласно формуле (8.1.1), λБр = 16,7 нм. Под таким углом можно было наблюдать максимум интенсивности рентгеновского излучения с длиной волны λ = 16,7 нм. Данные результаты прекрасно доказывали правильность идеи де Бройля.
Томсон и Тартаковский в своихопытах пропускали пучок более быстрых электронов (с энергией в несколько десятков кэВ) через металлическую фольгу. Схема опыта на рис. 8.2.2. Пучок ускоренных электронов проходил через тонкую металлическую фольгу и попадал на фотопластинку. Электрон при ударе о фотопластинку оказывает на нее такое же действие, как и фотон. Полученная таким способом электронограмма (рис. 8.2.3, а) была сопоставлена с полученной в аналогичных условиях рентгенограммой (рис. 8.2.3, б). Сходство обеих картин поразительно. Пользуясь подобными фотографиями, Томсон проверил формулу де Бройля и определил по полученным значениям и формуле (8.1.1) период кристаллической решетки металла, через который проходили электроны. Результаты совпали с известными ранее данными рентгеноструктурного анализа.
За исследования, блестяще подтвердившие представления квантовой механики, Дэвиссон и Томсон были награждены в 1937 г. Нобелевской премией по физике. Однако их работы не просто подтвердили идею де Бройля, а привели к созданию таких мощных и распространенных методов исследования вещества, как дифракция медленных электронов и просвечивающая электронная микроскопия. В настоящее время дифракция электронов на кристаллической решетке является мощным инструментом изучения структуры твердого тела. Как показали более поздние эксперименты, волновыми свойствами обладают также протоны, нейтроны и другие элементарные частицы.
Соотношение между импульсом р частицы и длиной волны де Бройля λБр, справедливость которого подтверждена экспериментально, привело к убеждению, что для описания состояния микрочастицы нужно воспользоваться некоторым волновым образованием. В квантовой механике такому волновому образованию соответствует функция координат и времени, получившая название волновой функции Ψ (x, y, z, t). Она выступает как основной носитель информации о корпускулярных и волновых свойствах микрочастицы. Поясним смысл волновой функции на примере интерпретации опыта по прохождению электронов через две щели.
Пусть на экран, где имеются две щели, расстояние между которыми сравнимо с дебройлевской длиной волны, направлен поток ускоренных электронов со строго фиксированным импульсом (рис. 8.3.1, а). Причем интенсивность потока настолько мала, что на экран в каждый относительно малый промежуток времени, необходимый для регистрации отдельной частицы, попадает только один электрон. Прошедшие через две щели электроны можно регистрировать различными методами, но во всех случаях они проявляют себя как отдельные частицы, случайно попадающие в различные места экрана. Однако за длительный промежуток времени пространственное распределение интенсивности (например, степени почернения фотопластинки ФП), которая пропорциональна количеству электронов, попавших на единичный участок фотопластинки, имеет вид регулярно чередующихся минимумов и максимумов рис. 8.3.1, г. Если оставить открытой только первую или вторую щель, то распределение интенсивностей будет определяться кривыми, изображенными на рис. 8.3.1, в (кривые 1 и 2). Сопоставление кривых показывает, что распределение интенсивности (рис. 8.3.1, в) не является суммой интенсивностей l1 и I2. B этом случае кривая распределения интенсивности от двух щелей имеет вид, соответствующий типичной интерференционной картине, когда в одних точках экрана наблюдается усиление, а в других − ослабление интенсивности. Объяснить наблюдаемое распределение интенсивности электронов можно только в рамках двух следующих предположений, не имеющих аналога в классической физике.
1. Электрон при прохождении через экран, в котором открыты обе щели, проявляет себя как волновой объект, одновременно проходящий через обе щели: волновая функция электрона, попадающего на экран, является суммой волновых функций Ψ1 и Ψ2, каждая из которых описывает состояние электрона, когда открыта соответственно только первая и только вторая щель:
Формула 8.3.1
Это утверждение совпадает с правилом сложения волн и является частным случаем одного из важнейших принципов квантовой механики − принципа суперпозиции для волновых функций: если для физической системы возможно состояние с волновой функцией Ψ1 и состояние с волновой функцией Ψ2 может реализоваться и смешанное состояние с волновой функцией
Формула 8.3.2
где а и b − некоторые комплексные или действительные числа.
В рассмотренном эксперименте (рис. 8.3.1) волновая функция электрона в случае с обеими открытыми щелями является суперпозицией волновых функций электрона в опытах с поочередно открытой первой или второй щелью. Справа от экрана со щелями эти волновые функции накладываются и дают типичную интерференционную картину. Так можно объяснить механизм прохождения электронами щелей.
Различие принципов суперпозиции квантовой и классической физики состоит в следующем. Если в классической физике имеются, например, два одинаковых колебания, то в результате их суперпозиции получается новое колебание. Причем физические величины в новом колебании имеют, вообще говоря, иные значения, чем в исходных колебаниях. В квантовой теории сложение двух одинаковых состояний сводится к умножению волновой функции на постоянную величину и, следовательно, приводит к тому же состоянию, потому что волновые функции, отличающиеся постоянным множителем, описывают одно и то же состояние. Физические величины в результате такой суперпозиции не изменяют своих значений, потому что не изменяется состояние. Принцип суперпозиции показывает, что из имеющихся квантовых состояний можно образовать многими способами новые состояния и каждое состояние можно рассматривать как результат суперпозиции двух или многих других состояний, причем бесконечным числом способов. Суперпозиция квантовых состояний является физическим принципом, но представление состояния как результата суперпозиции других состояний является чисто математической процедурой и всегда независимо от физических условий. Однако насколько это целесообразно, и какое именно представление целесообразно, зависит от конкретных физических условий.
2. Квадрат амплитуды световой волны определяет плотность вероятности попадания фотона в соответствующую точку пространства. Точно так же квадрат модуля волновой функции Ψ(x, y, z, t) определяет плотность вероятности того, что в заданный момент времени t квантовая частица находится в точке пространства с координатами х, у, z:
Формула 8.3.3
Это выражение получило название постулата Борна.
Квадрат модуля комплексной волновой функции определяется соотношением
Формула 8.3.4
Это важное и, как оказалось, правильное утверждение М. Борна, высказанное в 1926 г., дает статистическую, т. е. вероятностную, интерпретацию квадрата модуля волновой функции.
Тем самым удалось совместить свойства микрочастиц интерферировать со свойством регистрироваться по отдельности. Предложенная Борном трактовка сущности волновой функции, и в частности волны де Бройля для свободной частицы, принципиально отличает ее от упругой волны в сплошной среде и электромагнитных волн. Вместе с тем аналогия волновых процессов различной природы позволяет обосновать утверждение (8.3.3) с точки зрения обычных волн.
Вероятность dp того, что частица находится в элементе объема dV равна
Формула 8.3.5
Вероятность найти частицу в конечном объеме V определяют как
Формула 8.3.6
Если частица находится в неограниченном пространстве, то вероятность ее обнаружения в нем равна единице, отсюда следует условие нормировки волновой функции
Формула 8.3.7
Построение квантовой механики невозможно без уравнения, которое позволило бы по заданным внешним силовым полям и начальным условиям описывать движение частицы в пространстве и во времени. Состояние квантовой частицы определяется плотностью вероятности нахождения частицы в момент времени t в точке с координатами х, у, z. Плотность вероятности задается квадратом модуля волновой функции |Ψ(х, у, z, t)|2 . Поэтому искомое уравнение должно быть уравнением относительно волновой функцией Ψ(х, у, z, t). Также это уравнение должно обладать некоторыми чертами, присущими волновому уравнению для упругих волн, поскольку оно призвано учитывать волновые свойства микрочастиц. Эту задачу решил Шредингер, который написал в 1926 г. уравнение, решая которое можно находить волновую функцию:
Формула 8.4.1
где $$i=\sqrt{-1}$$ − мнимая единица; m − масса частицы; $$Δ={∂^2 \over ∂x^2}+{∂^2 \over ∂y^2}+{∂^2 \over ∂z^2}-$$ − оператор Лапласа; U(x, у, z, t) − потенциальная энергия частицы во внешнем силовом поле.
Формула 8.4.2
Выражение (8.4.1) называют временным уравнением Шредингера. Оно является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. Как и уравнение для второго закона Ньютона, не выводится, а постулируется. Критерием его справедливости является хорошее согласие результатов, полученных на основе формулы (8.4.1), с экспериментальными данными в атомной и ядерной физике.
В тех случаях, когда частица находится в стационарных потенциальных силовых полях (потенциальная энергия U не зависит от времени), то решение уравнения (8.4.1) можно представить в виде произведения двух функций, одна из которых зависит только от координат, а другая только от времени !
Формула 8.4.3
где Е − полная энергия частицы, которая в случае стационарности поля остается неизменной.
Подставим функцию (8.4.3) во временное уравнение Шредингера (8.4.1)
Формула 8.4.4
Сократив выражение (8.4.4) на величину $$e^{-{iEt \over h}}$$ получим
Формула 8.4.5
Преобразуем выражение (10.4.5)
Формула 8.4.6
Выражение (8.4.6) называется стационарным уравнением Шредингера.
Функции ψ(х, у, z), являющиеся решениями уравнения (8.4.6), называются собственными функциями. В теории дифференциальных уравнений доказывается, что уравнения вида (8.4.6) в ряде случаев имеют решения не при всех значениях энергии Е, а лишь при определенных ее значениях. Значения энергии Е, при которых имеет место решение уравнения Шредингера, называют собственными значениями энергии. Собственные значения энергии Е могут образовывать как непрерывный, так и дискретный ряд значений энергии. В первом случае говорят о непрерывном, во втором − о дискретном спектре энергии.
