Что такое корпускулярно-волновой дуализм: определение термина, свойства

Что такое корпускулярно-волновой дуализм? Это характеристика фотонов и других субатомных частиц, которые ведут себя при одних условиях как волны, а при других - как частицы.

Корпускулярно-волновой дуализм веществ и света является важной частью квантовой механики, поскольку с его помощью лучше всего демонстрируется тот факт, что таких понятий, как «волны» и «частицы», которые прекрасно работают в классической механике, недостаточно для объяснения поведения некоторых квантовых объектов.

Двойственный характер света получил признание в физике после 1905 года, когда Альберт Эйнштейн описал поведение света с помощью фотонов, которые были описаны как частицы. Затем Эйнштейн опубликовал менее знаменитую специальную теорию относительности, в которой свет был описан поведением волн.

Частицы, проявляющие двойственное поведение

Вам будет интересно:Перегонка - это процесс получения из нефти разных продуктов

Лучше всего принцип корпускулярно-волнового дуализма наблюдается в поведении фотонов. Это самые легкие и мелкие объекты, проявляющие двойственное поведение. Среди более крупных объектов, таких как элементарные частицы, атомы и даже молекулы, тоже можно наблюдать элементы корпускулярно-волнового дуализма, однако более крупные объекты ведут себя как волны чрезвычайно короткой длины, поэтому за ними очень сложно наблюдать. Обычно для описания поведения более крупных или макроскопических частиц вполне достаточно понятий, используемых в классической механике.

Доказательства корпускулярно-волнового дуализма

Вам будет интересно:Как отличить Present Simple от Past Simple: правила английского языка, различия и применение при общении

Люди на протяжении многих веков и даже тысячелетий задумывались над природой света и вещества. До сравнительно недавнего времени физики полагали, что характеристики света и вещества обязаны быть однозначными: свет может быть либо потоком частиц, либо волной, так же как и вещество, либо состоящее из отдельных частиц, полностью подчиняющихся законам ньютоновской механики, либо являющееся сплошной, неразделимой средой.

Изначально в Новое время была популярна теория о поведении света как потока отдельных частиц, то есть корпускулярная теория. Ее придерживался сам Ньютон. Однако более поздние физики, такие как Гюйгенс, Френель и Максвелл, пришли к выводу, что свет является волной. Поведение света они объясняли колебанием электромагнитного поля, а взаимодействие света и вещества в этом случае подпадало под объяснение классической теории поля.

Однако в начале ХХ века физики столкнулись с тем, что ни первое, ни второе объяснение не могут полностью покрыть область поведения света при различных условиях и взаимодействиях.

С тех пор многочисленные эксперименты доказали дуализм поведения некоторых частиц. Однако особое влияние на появление и принятие корпускулярно-волнового дуализма свойства квантовых объектов оказали первые, самые ранние эксперименты, которые поставили точку в спорах о природе поведения света.

Фотоэффект: свет состоит из частиц

Фотоэффект, который также называется фотоэлектрическим эффектом, представляет собой процесс взаимодействия света (или любого другого электромагнитного излучения) с материей, в результате которого энергия частиц света передается частицам материи. Во время изучения фотоэффекта поведение фотоэлектронов не могло быть объяснено классической электромагнитной теорией.

Генрих Герц еще в 1887 году отметил, что направление ультрафиолетового света на электроды увеличило их способность создавать электрические искры. Эйнштейн в 1905 году объяснил фотоэффект тем, что свет поглощается и излучается определенными квантовыми порциями, которые он первоначально назвал квантами света, а затем окрестил их фотонами.

Эксперимент Роберта Милликена, проведенный в 1921 году, подтвердил суждения Эйнштейна и привел к тому, что последний получил Нобелевскую премию за открытие фотоэффекта, а сам Милликен получил Нобелевскую премию в 1923 году за работу над элементарными частицами и изучение фотоэффекта.

Опыт Дэвиссона - Джермера: свет является волной

Опыт Дэвиссона - Джермера подтвердил гипотезу де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме света и послужил базой для формулировки законов квантовой механики.

Оба физика изучали отражение электронов от монокристалла никеля. Установка, находящаяся в вакууме, состояла из сошлифованного под определенным углом монокристалла никеля. Прямо перпендикулярно плоскости среза направлялся пучок монохроматических электронов.

Опыты показали, что в результате отражения электроны рассеиваются очень селективно, то есть во всех отраженных лучах, независимо от скоростей и углов, наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности. Таким образом, Дэвиссон и Джермер экспериментально подтвердили наличие у частиц волновых свойств.

В 1948 году советский физик В. А. Фабрикант экспериментально подтвердил, что волновые функции присущи не только потоку электронов, но и каждому электрону в отдельности.

Опыт Юнга с двумя щелями

Практический эксперимент Томаса Юнга с двумя щелями является демонстрацией того, что и свет и материя могут проявлять характеристики как волн, так и частиц.

Эксперимент Юнга практически демонстрирует природу корпускулярно-волнового дуализма, несмотря на то, что был впервые проведен в начале XIX века, еще до появления теории дуализма.

Суть эксперимента состоит в следующем: источник света (например, лазерный луч) направлен на пластину, где проделаны две параллельные щели. Свет, проходящий через щели, отражается на экране позади пластины.

Волновая природа света заставляет световые волны, проходящие через щели, смешиваться, производя светлые и темные полосы на экране, чего не случилось бы, если бы свет вел себя исключительно как частицы. Однако экран поглощает и отражает свет, а фотоэффект – доказательство корпускулярной природы света.

Что такое корпускулярно-волновой дуализм материи?

Вопросом, может ли материя вести себя так же дуально, как и свет, занялся де Бройль. Ему принадлежит смелая гипотеза о том, что при определенных условиях и в зависимости от эксперимента не только фотоны, но и электроны могут демонстрировать корпускулярно-волновой дуализм. Бройль развил свою идею о волнах вероятности не только фотонов света, но и макрочастиц в 1924 году.

Когда гипотеза была доказана с помощью эксперимента Дэвиссона - Джермера и повторения опыта Юнга с двумя щелями (с электронами вместо фотонов), де Бройль получил Нобелевскую премию (1929 год).

Оказывается, материя тоже может вести себя как классическая волна при правильных обстоятельствах. Конечно, крупные объекты создают настолько короткие волны, что бессмысленно их наблюдать, однако более мелкие объекты, такие как атомы или даже молекулы, демонстрируют заметную длину волны, что очень важно для квантовой механики, которая практически построена на волновых функциях.

Значение корпускулярно-волнового дуализма

Главное значение концепции корпускулярно-волнового дуализма состоит в том, что поведение электромагнитных излучений и материи можно описать с помощью дифференциального уравнения, которое представляет волновую функцию. Обычно это уравнение Шредингера. Возможность описать действительность с помощью волновых функций лежит в основе квантовой механики.

Наиболее частый ответ на вопрос о том, что такое корпускулярно-волновой дуализм, заключается в том, что волновая функция представляет вероятность нахождения определенной частицы в определенном месте. Другими словами, вероятность частицы оказаться в предсказанном месте делает ее волной, а ее физический вид и форма волной не являются.

Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

В то время как математика, пусть и крайне сложным способом, делает точные прогнозы на основе дифференциальных уравнений, значение этих уравнений для квантовой физики намного более сложно понять и объяснить. Попытка объяснить, что такое корпускулярно-волновой дуализм, по сей день лежит в центре дебатов квантовой физики.

Практическое значение корпускулярно-волнового дуализма состоит также в том, что любой физик должен научиться воспринимать реальность очень интересным способом, когда думать практически о любом объекте привычным способом уже недостаточно для адекватного восприятия реальности.