Где Е0 – энергия покоя частицы, ; Т – кинетическая энергия частицы.

Тема 3 ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА МИКРОЧАСТИЦ

1 Гипотеза Луи де Бройля, свойства волн Л. де Бройля

2 Статистическая интерпретация волновой функции М. Борном

3 Экспериментальное подтверждение волновой природы микрочастиц, опыты Дэвиссона и Джермера

4 Соотношение неопределенности

Основные понятия по теме

В начале 20-го века для частиц вещества был обнаружен ряд эффектов, внешне сходных с оптическими явлениями, характерными для волн. Так, в 1921 году Рамзауэр при исследовании рассеяния электронов на атомах аргона обнаружил, что эффективное сечение упругого рассеяния электронов на аргоне при энергии электрона E ~ 1 эВ становится близким к нулю. Впечатление такое, что при E ~ 1 эВ электроны не испытывают с атомами аргона столкновений и пролетают через газ без рассеяния. Этот эффект аналогичен образованию пятна Пуассона при дифракции света на малом экране.

В 1927 году американскими физиками Дэвиссоном и Джермером, а также независимо от них английским физиком Дж. П. Томсоном установлено, что моноэнергетические электроны, падающие параллельным пучком из электронно-лучевой трубки T на никелевую пластинку M (рисунок 3.1), после взаимодействия с ней распределялись в пространстве аналогично тому, как распределено рентгеновское излучение после дифракции на кристалле.

При изучении дифракции рентгеновских лучей на кристаллах было установлено, что распределение дифракционных максимумов описывается формулой Вульфа-Брэгга:

, (3.1)

где – постоянная кристаллической решетки, – порядок дифракции, – длина волны рентгеновского излучения, – угол между поверхностью кристалла и падающим электронным пучком (угол скольжения).

При рассеянии нейтронов на тяжелом ядре также возникало типично дифракционное распределение рассеянных нейтронов, аналогичное тому, которое наблюдается при дифракции света на поглощающем диске или шарике.

Для объяснения этих и многих других экспериментальных результатов требовались принципиально новые теоретические подходы.

Французский ученый Луи де Бройль в 1924 году высказал идею о том, что частицы вещества обладают и корпускулярными, и волновыми свойствами. При этом он предположил, что частице, свободно движущейся с постоянной скоростью , соответствует плоская монохроматическая волна

, (3.2)

где ω и – ее частота и волновой вектор. Тем самым была сделана попытка расширения аналогии между оптикой и механикой, и сопоставления волновой оптики с волновой механикой в целях применения последней для объяснения внутриатомных явлений.

Волна (3.2) распространяется в направлении движения частицы (). Такие волны получили название фазовых волн, волн вещества или волн де Бройля.

Релятивистски инвариантные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частицы массы , которая движется со скоростью , имеет энергию

(3.3)

и импульс

, (3.4)

и которой сопоставляется волна де Бройля частоты , называются формулами де Бройля и имеют вид:

, (3.5)

или

, , (3.6)

где – волновое число, связанное с длиной волны ().

Длина волны де Бройля определяется по формуле

(3.7)

(здесь ). Именно эта длина волны должна фигурировать в формулах при волновом описании эффекта Рамзауэра – Таунсенда и опытов Дэвиссона - Джермера. Формула (3.7) после учета выражения для импульса принимает разный вид для частиц, движущихся медленно и со скоростью, близкой к скорости света в вакууме:

а) в классическом приближении ()

; ; (3.8)

б) в релятивистском приближении ( )

; , (3.9)

где Е0 – энергия покоя частицы,; Т – кинетическая энергия частицы.