Cтраница 3
Не менее важным оказался тот факт, что гипотеза о наличии волновых свойств у электрона и других частиц, высказанная сперва чисто умозрительно, может быть проверена на опыте. [31]
Первое подтверждение этой гипотезы было получено в опытах по дифракции электронов на кристаллах. Опыты по дифракции и интерференции такого типа являются наиболее убедительным и прямым доказательством наличия волновых свойств у частиц. Впоследствии они были осуществлены также с молекулами и нейтронами. [32]
Наличие у материальных частиц волновых свойств было подтверждено экспериментально. В 1927 г. американские физики Дэвиссон и Джермер и англичанин Томсон с помощью пучка электронов получили дифракционную картину, подобную той, что была известна с 1912 г. для рентгеновских лучей. Позднее появились экспериментальные доказательства наличия волновых свойств у таких материальных объектов, как протон, нейтрон, атом гелия, молекула водорода. Таким образом, было доказано, что описание поведения микрообъектов должно обязательно учитывать их волновые свойства. [33]
Хотя интерференционные явления с очевидностью доказывают волновую природу света, до сих пор мы рассматривали излучение и поглощение света таким образом, как будто свет состоит из отдельных порций энергии ( квантов) величиной Av, которые могут излучаться и поглощаться только целиком, не дробясь. Было сделано много попыток согласовать строго доказанный многочисленными опытами квантовый характер излучения и поглощения с волновыми представлениями. Столь же мало плодотворными оказались попытки наделить кванты такими свойствами, которые привели бы к интерференционным явлениям без наличия волновых свойств у света. Поэтому не остается ничего другого, как принять волны и кванты за два доступных нашим чувствам проявления одного и того же процесса, истинную сущность которого мы не можем описать с помощью принятых в механике представлений. Невозможна также грубая интерпретация этой двойной природы света на основе предположения, что фронт волны имеет определенные центры сосредоточения энергии. [34]
Далее, в последующие годы ряд опытов показал, что частицы, например электроны и даже целые атомы, тоже имеют волновую лри-роду: с движением таких частиц связано распространение волн, для которых наблюдаются явления дифракции и интерференции. Об этом будет сказано подробнее в разделе VII, гл. Здесь лишь следует указать, что, помимо статистики Максвелла - Больцмана, существуют статистики, в которых учитывается наличие волновых свойств у частиц и их описание квантовомеханическими законами. Основы новой статистики были первоначально разработаны применительно к квантам света. В дальнейшем рамки ее применения были расширены на другие квантовомеханические корпускулярные системы, для которых справедлив принцип неразличимости частиц. У обычных газов, к которым эта статистика применима, имеется столь малое отличие от классической статистики, что его до сих пор не удалось обнаружить экспериментально. Однако для электронного газа дело обстоит так, что при плотностях, которые мы приписываем ему внутри металлов, результаты классической и квантовой статистик будут совершенно различны. При этом квантовая статистика электронов должна быть дополнена следствием ( запретом Паули), вытекающим из общего принципа теории строения атома. Это приводит к новой статистике - Ферми - Дирака, которая в состоянии объяснить многие загадочные особенности поведения электронов в металлах. [35]
При этом, как и в выводе предыдущего параграфа, мы естественно также будем руководствоваться твердо установленным на опыте фактом - двойственной, корпускулярно-волновой природой микрочастиц и на каждом этапе наших дальнейших рассуждений будем следить за тем, какие ограничения в применимость к микрочастицам способа описания, пригодного для макроскопических тел, вносит наличие волновых свойств у микрочастиц. [36]
Следовательно, электрон как частица не должен удалиться от ядра больше, чем на расстояние Ad, при котором его полная энергия равна потенциальной. Этому состоянию электрона соответствует точка / пересечения энергетического уровня, на котором находится рассматриваемый электрон, с кривой изменения потенциальной энергии. Она называется классической точкой поворота. Наличие волновых свойств электрона приводит к тому, что валентные электроны могут отклоняться от классических точек поворота, но не более чем на десятимиллиардные доли метра. Такой переход называется туннельным эффектом. Туннельный эффект и является причиной обобществления электронов в металлах. [37]
Поскольку, однако, свойства частиц и волн не только слишком различны, но и во многих отношениях исключают друг друга, а электроны, несомненно, имеют единую природу, приходится заключить, что электроны на самом деле не являются ни тем, ни другим, так что картины волн и частиц в в одних случаях подходят, а в других оказываются непригодными. Свойства микрочастиц настолько своеобразны, поведение их в такой степени не похоже на поведение окружающих-нас в обыденной жизни макроскопических тел, что у нас нет для них подходящих образов. Однако ясно, что, поскольку мы вынуждены для описания одних и тех же объектов пользоваться и волновой, и корпускулярной картинами, мы уже не можем приписывать этим объектам все свойства частиц и все свойства волн. Например, наличие волновых свойств у электронов неизбежно должно внести какие-то ограничения в применимости к этим микрочастицам понятий, характеризующих частицу в классической механике. [38]