5.2. Создание квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм

Основанная на уравнениях Максвелла классическая теория излучения нагретых тел противоречила результатам экспериментов. Эти противоречия разрешил немецкий физик М. Планк (1858-1947), который в 1900 г. высказал предположение, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах, причём энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения.

Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. По теории Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна частоте света :

,

где h – так называемая постоянная Планка, равная h = 6,626·10^–34 Дж·с.

Развивая идею Планка, А. Эйнштейн ввёл гипотезу световых квантов, согласно которой электромагнитное излучение само состоит из таких квантов, и на её основе объяснил явление фотоэффекта, суть которого заключается в испускании электронов твёрдыми телами и жидкостями под действием электромагнитного излучения. Эйнштейн доказал, что энергия, необходимая для освобождения электрона, зависит от частоты света, поглощаемого веществом. За объяснение механизма фотоэффекта А. Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике. В опытах американского физика А.Комптона по рассеянию рентгеновских лучей в парафине в 1922 г. было установлено, что кванты излучения подчиняются тем же кинематическим законам, что и частицы вещества (закон сохранения импульса). Тем самым подтвердилась квантовая теория света. Но, изучая электромагнитную картину мира, мы твердо уяснили волновую природу света. Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что в опытах по дифракции и интерференции свет ведёт себя как волна, а при фотоэффекте – как поток корпускул.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Волновые свойства наряду с корпускулярными присущи всем видам материи: электронам, протонам, фотонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна длиной:

λ = h/mv.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер вывел математическое уравнение, которое определяет поведение волн материи. Если известна волновая функция Ψ в начальный момент времени, то, решая уравнение Шредингера, можно найти Ψ в любой последующий момент времени. В квантовой механике уравнение Шредингера играет такую же фундаментальную роль, как уравнения движения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в электромагнетизме.

Однако гипотеза де Бройля о всеобщем дуализме частицы и волны нуждалась в опытном подтверждении. В 1927 г. американские физики К. Дэвисон и Л. Джермер обнаружили дифракцию электронов. В дальнейшем опытным путём были обнаружены дифракция нейтронов, атомов и даже молекул. Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.