Глава 2. Электронное строение атомов

Модель 2.1.  Принцип неопределенности

Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга.

Известно, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Волновые свойства проявляются при распространении света (интерференция, дифракция). Корпускулярные свойства проявляются при взаимодействии света с веществом (фотоэффект, излучение и поглощение света атомами).

Свойства фотона как частицы (энергия E и импульс p) связаны с его волновыми свойствами (частотой ν и длиной волны λ) соотношениями
где h = 6,63·10^–34 Дж∙c – постоянная Планка.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. высказал предположение, что сочетание волновых и корпускулярных свойств присуще не только свету, но и любому материальному телу. Согласно де Бройлю, каждому телу массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волновой процесс с длиной волны
Наиболее отчетливо волновые свойства проявляются у элементарных частиц. Это происходит потому, что из-за малой массы частиц длина волны оказывается сравнимой с расстоянием между атомами в кристаллических решетках. В этом случае при взаимодействии пучка частиц с кристаллической решеткой возникает дифракция. Например, электронам с энергией 150 эВ соответствует длина волны λ ≈ 10^–10 м. Такого же порядка межатомные расстояния в кристаллах. Поэтому пучок электронов будет рассеиваться на кристалле как волна, т. е. по законам дифракции.

Для иллюстрации волновых свойств частиц часто используют мысленный эксперимент – прохождение пучка электронов (или других частиц) через щель шириной Δx. С точки зрения волновой теории после дифракции на щели пучок будет уширяться с угловой расходимостью С корпускулярной точки зрения уширение пучка после прохождения щели объясняется появлением у частиц некоторого поперечного импульса. Разброс значений этого поперечного импульса («неопределенность») есть
Соотношение

ΔpxΔx ≈ h

носит название соотношения неопределенностей. Это соотношение на корпускулярном языке выражает наличие волновых свойств у частиц.

Эксперимент по прохождению пучка электронов через две близко расположенные щели может служить еще более яркой иллюстрацией волновых свойств частиц. Этот эксперимент является аналогом оптического интерференционного опыта Юнга.

В модели вы можете изменять ширину щелей, а также переключать режимы – опыт с одной щелью или опыт с двумя щелями. Обратите внимание, что в опыте дифракции на двух щелях образующаяся картина не является наложением картин от дифракции на каждой из щелей в отдельности. Это указывает на существенно квантовый характер происходящих явлений, не поддающийся объяснению на языке классической механики.