§ 7. Корпускулярная структура вещества

Опираясь на аналогию между волнами вещества и классической волновой оптикой, можно задаться вопросом, нельзя ли полностью отказаться от понятия частицы вещества и заменить классическую теорию чисто волновой теорией, где волна играла бы роль, аналогичную роли электромагнитного поля в теории излучения.

Тогда образы корпускул, порций энергии и локализованных импульсов будут заменены образом протяженной волны с непрерывным распределением энергии и импульса. Частицы классической механики будут представлены волновыми пакетами конечной протяженности, но в достаточной степени локализованными. Мы видели, что такие пакеты следуют законам движения классических частиц в некоторых предельных случаях, когда применимо классическое приближение. Однако даже в отсутствии поля волновой пакет не может бесконечно долго сохранять это сходство с частицей, так как с течением времени он расплывается и в конечном счете может занять сколь угодно большую часть пространства (см. задачу 6). В этих условиях вызывает удивление тот факт, что вещество столь часто проявляется в форме хорошо локализованных частиц.

Но трудности чисто волновой теории такого рода становятся еще более ясно видны, если внимательно исследовать сами эксперименты по дифракции волн вещества. Рассмотрим пучок моноэнергетических электронов, проходящий через поликристаллическую мишень; на экране, расположенном за мишенью, мы наблюдаем центральное темное пятно, соответствующее проходящей волне, которое окружено концентрическими кольцами, образованными дифрагировавшей волной. Предположим, что падающая волна есть волновой пакет хорошо разграниченный в пространстве; этого можно добиться, поместив (рис. 7) интенсивный источник катодных лучей за диафрагмой снабженной обтюратором с фиксированным временем пропускания. Эта волна проходит через пластинку С, разделяется на проходящую и дифрагировавшую волны и, наконец, образует на экране описанную выше интерференционную картину. По предположению мы имеем дело с непрерывной протяженной волной, то же самое можно сказать об интерференционной картине. Если при прочих равных условиях уменьшать интенсивность падающей волны (например, удаляя источник 5 от диафрагмы то пропорционально должна уменьшаться интенсивность интерференционных пятен, но сами они по-прежнему должны оставаться непрерывно распределенными. Опыт полностью опровергает этот

вывод. Оказывается, что интерференционная картина образована большим числом отдельных дискретных точек. При уменьшении интенсивности падающей волны пропорционально уменьшается число этих точек. В пределе очень слабой интенсивности можно наблюдать до одной точки, расположенной либо на месте центрального пятна, либо же на дифракционных кольцах. Естественно приписать каждую точку воздействию прошедшего через систему одного электрона, т. е. одной частицы вещества.

Заметна полная аналогия между ситуацией, описанной здесь, и опытами по рассеянию света на решетке, обсуждавшимися в первой главе.

Рис. 7. Дифракция электронов на поликристаллической пластинке. Пучок электронов из источника коллимируется диафрагмой, а затем дифрагирует на поликристаллической пластинке С. Дифракционная картина наблюдается на экране Е.

Можно продолжить эту аналогию и сделать вывод, что наиболее простое истолкование дуализма волна — частица имеет статистическую основу в том смысле, что интенсивность волны в каждой точке экрана дает вероятность попадания электрона в эту точку.