Теория:
1. Волновые свойства частиц
Электрон как частица — это модель классической электродинамики (рассматривающей электромагнитное поле как непрерывное), которая подразумевает, что электрон — материальная точка, обладающая определённой координатой и скоростью. Однако эта модель не описывала некоторых явлений (например, дифракцию электронных пучков).
В \(1923\) году французский физик Луи де Бройль предположил, что как волна обладает свойствами частиц, так и частицы обладают свойствами волны. То есть с распространением волны всегда связано движение каких-либо частиц. При этом связь длины волны с импульсом частицы определяется формулой де Бройля:
\(\boxed{\lambda =\frac{h}{p}}\), (\(1\))
В \(1923\) году французский физик Луи де Бройль предположил, что как волна обладает свойствами частиц, так и частицы обладают свойствами волны. То есть с распространением волны всегда связано движение каких-либо частиц. При этом связь длины волны с импульсом частицы определяется формулой де Бройля:
\(\boxed{\lambda =\frac{h}{p}}\), (\(1\))
где \(\lambda\) — длина волны де Бройля (характеризует волновые свойства);
\(h=6,63·10^{-34}\) \(Дж·с\) — постоянная Планка (фундаментальная константа);
\(p\) — импульс частицы (характеризует корпускулярные свойства).
Причём формула (\(1\)) относится не только к фотонам, но к любым частицам, будь то электрон, протон или даже какая-то очень массивная частица, состоящая из сотен протонов и нейтронов. В свою очередь, импульс частицы можно вычислить по формуле (\(2\)):
\(\boxed{p=mv}\), (\(2\))
где \(m\) — масса частицы;
\(v\) — скорость частицы.
Как и для фотонов, с волной де Бройля связана не только длина волны \(\lambda\), но и частота \(\nu\). Полная энергия частицы \(E\) определяет частоту соответствующей волны через фундаментальное соотношение Планка:
\(\boxed{E=h\nu}\). (\(3\))
2. Волны де Бройля
Физический смысл волн де Бройля оказался сложнее, чем просто "волна в пространстве". Это не электромагнитные и не механические волны. Длительное время велись споры о том, что же именно колеблется. Сегодня принята статистическая (вероятностная) интерпретация: квадрат амплитуды волны де Бройля в данной точке пространства определяет вероятность обнаружить частицу в этой точке.
Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля было получено уже через несколько лет. В 1927 году американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер изучали отражение электронов от поверхности кристалла хаотично. Однако эксперимент показал четкую дифракционную картину — чередующиеся максимумы и минимумы отраженного пучка, которые можно было объяснить только интерференцией волн, связанных с электронами.
Этот опыт доказал, что волновые свойства присущи не только свету, но и веществу. Движение электрона в атоме также можно описать с помощью волн де Бройля. Условие существования атома, его устойчивость, по Бору выглядело как постулат. С точки зрения волн де Бройля это условие объясняется наглядно: устойчивая орбита электрона существует только тогда, когда на её длине укладывается целое число длин волн де Бройля. Если волна не замыкается сама на себя, она интерферирует сама с собой и гасится.
3. Корпускулярно-волновой дуализм
Представление о том, что в микромире объекты при проявлении ими корпускулярных свойств удобно описывать как частицы, а при проявлении волновых свойств — как волны, называется корпускулярно-волновым дуализмом. Законы теплового излучения и фотоэффекта объяснимы только в предположении, что свет — это фотоны. В то же время такие явления, как дифракция и интерференция, могут быть объяснены, только если рассматривать свет как волну.