Хвиля-частинка або частинка-хвиля?

Досвід Тейлора показав, що навіть поодинокі фотони створюють дифракційну картину. Виходить, один фотон теж має властивості хвилі. Нагадаємо, що ще до теорії Максвелла було доведено, що якщо світло і є вільний, то ця хвиля поперечна. В таких хвилях частинки середовища коливаються «поперек» напряму переносу енергії, яка сконцентрована в гребенях. Відомо, що частота світла становить (за Максвеллові) в середньому 6 * 1014 Гц. З іншого боку, відстань між початком і кінцем фотона одно майже 3 м. Легко підрахувати, що фотон, припустимо, зеленого кольору повинен містити 6 * 106 гребенів. Це дуже багато. Навіть хвилі в океані мають гребенів в тисячі разів менше. Слід висновок, що кожен фотон сам собі хвиля. Очевидно, в досвіді Тейлора голка розділяла кожен фотон-хвилю на дві напівхвилі. Потім ці напівхвилі сходилися і складалися на фотопластинці, створюючи чергування світлих і темних смуг, причому навпроти голки виходила світла смужка, адже саме там сходилися гребені. Так виникла класична дифракционная картинка. Досвід Тейлора серйозно зміцнив позиції прихильників хвильової теорії світла.
Але от за справу взявся Комптон, який незадовго до цього отримав доступ до новітнього рентгенівському спектрографа. Комптон поставив досвід, де рентгенівське випромінювання (частота до 1019 Гц – далі вже починається область гамма-променів) пропускалося через пластинку графіту, де є досить багато вільних електронів. Після виходу з графіту ікс випромінювання прямувало в рентгенівський спектрограф. Досвід показав, що рентгенівський промінь поводиться як потік квантів, які розсіюються вільними електронами в графіті. При цьому в ряді випадків частота розсіяних квантів зменшувалася. Це явище назвали «почервонінням квантів» в тому сенсі, що їх частота зміщувалася в червону частину спектру. При цьому в графіті виявилися електрони, у яких швидкість перевищувала значення, середнє для даної температури по тепловій теорії. Вимірювання показали, що кількість «гарячих» електронів дорівнює числу «почервонілих» квантів. Тоді Комптон запропонував теорію, згідно з якою при розсіюванні кванта на вільному електроні останній забирає частину імпульсу у кванта. Таким чином, з теорії Комптона випливає, що кванти рентгенівського випромінювання, хоча не мають маси спокою, володіють імпульсом, аналогічно імпульсу електрона p = mev.
Після робіт Комптона «маятник» хитнувся в протилежний бік. Світло знову стали трактувати як потік частинок, що володіють імпульсом, як до Максвелла. Зауважимо, що Комптон ввів поняття «імпульс кванта» чисто формально, щоб в його теорії виконувався закон збереження імпульсу. В академічному світі склалася непроста ситуація, в якій розгублені професора не знали, як викладати теорію світла. Спробуємо розібратися.
З теорії Планка слід існування квантів з енергією ε = hν, де ν – параметр, що має розмірність частоти. Згідно досвіду Комптона, рентгенівський квант (далі – просто квант), стикаючись з електроном, втрачає частину енергії Δε = hΔν. При цьому частота кванта зменшується на величину Δν, що призводить до «почервоніння» кванта. Досвід Тейлора довів, що фотон це хвиля, яка «обтікає» перешкоду. Досвід Комптона показав, що квант це частинка, яка відштовхується від перешкоди. Легко зрозуміти, що різниця між фотоном і квантом тільки в частоті. Неважко підрахувати, що число гребенів в Кванті в тисячі разів більше, ніж в фотоні. Так як енергію переносять гребені, значить, щільність енергії в Кванті в тисячі разів більше, ніж в фотоні, адже розміри їх рівні. Очевидно, чим вище щільність енергії кванта, тим ближче він за властивостями до частинки. Цим можна пояснити пружне зіткнення кванта з електроном. Чим вище щільність енергії, тим важче кванту «обтікати» електрон. А це вже властивість частинки. Таким чином, рентгенівський квант можна представити у вигляді вібруючої струни з незакріпленими кінцями. Зіткнувшись з електроном, струна мнеться, віддаючи частину енергії, і відлітає убік, як частка.
Слід зауважити, що струна, вібруюча з певною частотою, це уявний математичний образ. У реальності кванти, навіть отримані за рахунок однакових переходів електронів усередині атомів, дещо відрізняються за частотою, так як їх енергія трохи різниться за рахунок магнітної взаємодії з ядром. Саме тому спектральні лінії мають видиму ширину. Справа в тому, що фотони з близької, але різною частотою, пройшовши крізь спектрометр, потрапляють у близькі, але все ж різні місця на екрані. Тому лінія в спектрі виходить широкою.
Використовуючи чутливий спектрометр в комбінації з потужним магнітом, Земан зумів «розщепити» широку спектральну лінію натрію на дві тонкі з зазором між ними. Штарк зробив те ж саме, впливаючи на джерело спектра потужним електричним полем. Ці блискучі досліди, як і досвід Комптона, неможливо пояснити за допомогою хвильової теорії світла Максвелла-Герца. Зате їх пояснює квантова теорія Планка-Ейнштейна.

Посилання на основну публікацію