Леонид ШИПИЦИН
физик, г. Жуковский Московской области
ПОТЕРЯ ВОЛНОВЫХ СВОЙСТВ МИКРОЧАСТИЦАМИ
(статья из журнала "Техника-молодёжи" 2001 №4)
Для волновых процессов характерны два отличительных явления: ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ, то есть ослабление или усиление волн при наложении их друг на друга, и ДИФРАКЦИЯ, то есть огибание волной преграды. В случае видимого света интерференция и дифракция заметны невооружённым глазом: тут и игра цветов на поверхности мыльного пузыря, и радужная окраска нефтяных плёнок на поверхности воды…
В 1924 г. знаменитый французский физик Луи де Бройль обнаружил, что волновые свойства присущи и движущимся микрочастицам, причём произведение длины волны такого волнового процесса на массу и скорость частицы равно постоянной Планка.
Этот волновой процесс и сейчас остаётся загадочным, его природа и смысл до сих пор не раскрыты. Согласно квантовой механике - теории процессов в микромире - формула де Бройля справедлива для частиц любой массы; от нейтрино до Солнца и крупнее, то есть от нуля до бесконечности; скорость частицы тоже может быть любой (с ограничением специальной теории относительности - не больше скорости света в вакууме, C = 3*1010 см/с). Но так ли обстоит дело с точки зрения эксперимента?
ЭЛЕКТРОН. Волновые свойства электрона в процессе дифракции подтверждены при его скоростях, почти достигающих С. А вот при снижении скорости до 105- 106 см/с (что соответствует температуре 1-10 К) для электронов проводимости металлов возникает аномалия, объяснённая через 46 лет после её открытия как явление сверхпроводимости. Квантовой теорией сверхпроводимость (как и - позднее - высокотемпературная сверхпроводимость) предсказана·не была.
Кроме того, экспериментально обнаружили, что в висмуте электроны проводимости при скорости 5*105 см/с испытывают только зеркальное, а не дифракционное отражение от внутренней поверхности металла, а сопротивление плёнки висмута при температуре 78 К (скорость электронов 5*106 см/с и ниже) становится периодическим.
В спектрах атомов межзвёздного водорода наблюдается квантовое число состояния (или энергетических уровней) n не более 700, что соответствует граничной скорости электрона в атоме 3 км/с. Далее атом ионизируется, хотя теоретически это должно происходить при n, равном бесконечности.
Перечисленные эффекты свидетельствуют, что к электрону, движущемуся со скоростями 105 - 106 см/с, формулу де Бройля нужно применять осторожно. С другой стороны, прямых экспериментов по дифракции электронов такой энергии нет, и вопрос остаётся открытым для изучения.
МЮОН. Если для электрона максимальная скорость близка к световой, то для мюона, в 207 раз более тяжёлого, её можно ожидать в 200 раз меньшей. Кроме массы, мюон ничем не отличается от электрона и может заменить его в атоме, образуя мезоатом. Скорость движения мезона на первом энергетическом уровне мезоатома определяется по формуле V=αZC, где α - постоянная тонкой структуры, равная 1/137; Z - заряд ядра атома; С - скорость света. Если мюон, как и электрон, теряет волновые свойства, то образование мезоатомов с малым Z будет затруднено. Действительно, существует экспериментальный факт: мезоатомы с Z меньше 10 не регистрируются.
НЕЙТРОН. Дифракция нейтронов твёрдо установлена, но для ультрахолодных (ультрамедленных) наблюдается аномалия времени хранения, необъяснимая квантовой механикой. Кроме того, нейтроны со скоростями 3 - 7 м/с зеркально отражаются от кристаллической решетки. Интересно, что отношение минимальных скоростей, при которых ещё возможна дифракция электронов и нейтронов, равно отношению их масс (порядка 2000).
ПРОТОН. Дифракция ядра атома водорода установлена точно, но в очень узком диапазоне скоростей (106 см/с).
ГЕЛИЙ. Дифракция α-частиц (ядер атомов гелия) также твёрдо установлена в столь же узком диапазоне скоростей. Однако в своей (написанной в стихах) статье 1967 г. физик М.Честер утверждал, что жидкий гелий не дифрагирует; то есть при скорости частиц до 10 км/с (соответствующей температуре 2 К) гелий теряет свои волновые свойства, приобретая сверхтекучесть. Может быть, сверхтекучесть (как и сверхпроводимость) как раз и связаны с потерей частицами волновых свойств?
Ландау писал, что "фактически гелий-II теряет свойство сверхтекучести при достаточно больших скоростях движения, природа этого явления «критических скоростей» не ясна". Учитывая данные Честера, полагаю, что критическая скорость как раз и разделяет области существования и отсутствия волновых свойств у ядер атомов гелия.
ТЯЖЁЛЫЕ АТОМЫ. Пучок атомов должен отражаться от поверхности кристалла следующим образом: основная масса зеркально, часть - в стороны, под углами, соответствующими длине волны де Бройля. Такая картина наблюдается для гелия, а вот с ростом массы ядер...
В 1931 г. выяснилось, что пучок атомов неона, аргона и паров металлов отражается лепестком, максимум интенсивности не соответствует зеркальному отражению, а дифракционных пучков нет совсем. Объяснить лепестковое рассеяние с помощью квантовой механики не удалось.
В 1971 г. установлено, что, отражаясь от поверхности платины, вольфрама, фтористого лития и других кристаллов, пучки атомов тяжёлых металлов и инертных газов (кроме гелия) образуют двугорбое рассеяние, не похожее на дифракционное, а вместо зеркального максимума обнаружен минимум.
Таким образом, волновые свойства частиц экспериментально подтверждены только для электронов и частиц не тяжелее α-частицы, в разных скоростных диапазонах, не дающих систематической картины. Продолжение экспериментов в указанных здесь направлениях позволит выявить и уточнить пределы применимости квантовой механики и, возможно, - коренным образом изменить наши представления о процессах в микромире.
Дата установки: 22.09.2009