ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ЭЛЕКТРОНА / Нобелевская лекция Луи де Бройля

0
Рыжачков Анатолий Александрович8/25/2020

ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА ЭЛЕКТРОНА
Нобелевская лекция, 12 декабря 1929 г. Луи де Бройль.

[…] Чтобы помочь вам понять, как развивались мои исследования, я должен в первую очередь обрисовать кризис, через который прошла физика за двадцать последних лет.

Долгое время физики сомневались в том, что свет состоит из небольших, быстро двигающихся частиц. Эта идея была выдвинута философами античности и поддержана Ньютоном в XVIII столетии. После открытия Томасом Юнгом явления интерференции и последовавшей за этим замечательной работы Огюстена Френеля гипотеза о корпускулярной структуре света была полностью отброшена и единодушно утверждена волновая теория. Таким образом, физики прошедшего столетия абсолютно пренебрегали идеей атомарной структуры света. Хотя и отторгнутые в оптике, теории атомарного строения добились значительных успехов не только в химии, где они предоставили простую интерпретацию закона постоянства состава, но также и в физике, где стала возможной интерпретация большого количества свойств твердых веществ, жидкостей и газов. В частности, теория атомов послужила средством для развития превосходной кинетической теории газов, которая, будучи обобщенной под именем статистической механики, придала четкий смысл такой абстрактной концепции, как термодинамика. Эксперимент принес также бесспорные доказательства, свидетельствующие в пользу атомарного строения электричества; концепция электрических корпускул обязана своим появлением сэру Дж. Дж. Томсону, и все вы хорошо знаете, что X. А. Лоренц использовал эту идею в своей теории электронов.

Таким образом, около тридцати лет назад физика делилась на две части: во-первых, на физику материи, основанную на концепции корпускул и атомов, которые, как считалось, подчиняются классическим законам ньютоновской механики, и, во-вторых, на физику излучения, основанную на концепции распространения волны в гипотетической непрерывной среде, например в световом или электромагнитном эфире. Но эти две физики не могли оставаться чужеродными друг другу они должны были объединиться при развитии теории, которая бы описала обмен энергии между веществом и излучением. Вот здесь, как раз, и возникли трудности. Во время поиска путей объединения этих двух физик друг с другом появилось неясное и даже неприемлемое утверждение, касающееся равновесия энергии между веществом и излучением в термически изолированной среде: материя, надо вам сказать, должна отдавать всю свою энергию на излучение и, таким образом, сама стремиться к температуре абсолютного нуля! От этого абсурдного вывода любым способом требовалось избавиться. С помощью своей гениальной интуиции Планку удалось понять, каким образом этого можно избежать: вместо того, чтобы в соответствии с классической волновой теорией предполагать, что световой источник генерирует излучение непрерывно, надо допустить противоположное, т. е. что свет излучается одинаковыми и неделимыми порциями, квантами. Более того, энергия каждого кванта принимает значение, пропорциональное частоте и излучения. Энергия кванта равна hv, где h — универсальная константа, с того времени называемая постоянной Планка.

Успех идей Планка повлек за собой серьезнейшие последствия. Если свет излучается квантами, разве он не должен при излучении иметь корпускулярную структуру? Таким образом, существование квантов излучения предполагало справедливость корпускулярной теории света. С другой стороны, как было показано Джинсом и Пуанкаре, можно доказать, что если бы движение материальных частиц в источниках света подчинялось законам классической механики, то было бы невозможно вывести точный закон излучения черного тела, закон Планка. Следовательно, требуется допустить, что традиционная динамика, пусть даже видоизмененная теорией относительности Эйнштейна, не способна описать движение на таких малых масштабах.

Существование гранулярной структуры света и других видов излучения было подтверждено открытием фотоэлектрического эффекта. Если световой или рентгеновский луч падает на поверхность вещества, то вещество будет испускать быстрые электроны. Кинетическая энергия этих электронов линейно возрастает с частотой падающего излучения и не зависит от его интенсивности. Это явление может быть объяснено простым предположением, что излучение состоит из квантов hv, причем каждый квант может отдать всю свою энергию какому-либо электрону облучаемого тела. Это предположение сразу же приводит к теории светового кванта, которая была предложена Эйнштейном в 1905 г., и в конечном счете являлась возвращением к корпускулярной теории Ньютона, дополненной соотношением пропорциональности между энергией корпускул и частотой. Эйнштейном было предложено довольно много аргументов для подтверждения своей точки зрения, а в 1922 г. открытие А. X. Комптоном эффекта, который теперь носит его имя — эффекта рассеивания рентгеновских лучей — подтвердило предположение Эйнштейна. Тем не менее все еще продолжала существовать необходимость в адаптации волновой теории для объяснения явлений интерференции и дифракции, и совершенно невозможно было представить, каким способом можно было бы примирить волновую теорию с существованием корпускул.

Как было сказано, исследования Планка заронили сомнения в справедливости механики на очень малых масштабах. Давайте рассмотрим материальную точку, которая движется по малой траектории, замкнутой или же возвращающейся к себе самой. В соответствии с классической динамикой существует бесчисленное количество возможных движений этого класса, соответствующих начальным условиям, а возможные значения энергии движущегося тела образуют непрерывную последовательность. С другой стороны, Планку пришлось предположить, что возможны, или по меньшей мере стабильны, только определенные выделенные классы движения — квантованные движения, так что энергия может принимать только дискретные значения, формирующие скачкообразную последовательность. Вначале эта идея казалась довольно странной, но вскоре была оценена по достоинству, поскольку именно эта концепция привела Планка к правильной формулировке закона излучения черного тела, а затем доказала свою плодотворность во многих других областях науки. И, наконец, именно на основе концепции квантования атомного движения Нильс Бор построил свою знаменитую теорию атома; она настолько хорошо известна, что я не буду сейчас ее описывать.

Необходимость применения для описания световых явлений двух противоречащих друг другу теорий — корпускулярной и волновой — и неспособность понять, почему наряду с бесконечностью вариантов движения, которые должен иметь электрон в атоме в соответствии с классическими концепциями, возможны лишь определенные: вот какие загадки стояли перед физиками в то время, когда я возобновил свои занятия теоретической физикой.

Нобелевская премия. Физика:. Сборник лекций на рус. яз. полной версии Les Prix Nobel. — М.: Физматлит; Наука / Интерпериодика, 2009. — Том 3: 1929—1950. — С. 10-14.
Следующая статья
Теория Творчества
30 вопросов, чтобы узнать математика
1. Когда и при каких обстоятельствах, по вашим воспоминаниям, появился у вас интерес к математике? Является ли он у вас наследственным? Есть ли среди ваших предков или других членов вашей семьи (братьев, сестер, дядей, двоюродных братьев и сестер и т. д.) люди, имеющие математические способности? Оказали ли влияние на формирование вашей склонности к математике их пример и их личное воздействие? 2. К каким отраслям математики вы чувствуете наибольшую склонность? 3. Что вас больше интересует; математика как таковая или...
Теория Творчества
30 вопросов, чтобы узнать математика
Психология и психофизиология
Влияние идей А. А. Ухтомского на современное научное мышление
Естественные науки
Этапы развития науки на примере географии
Теория Творчества
СТРУКТУРА как теоретическая модель по У. Эко
Теория Творчества
Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений
Биографии
Иван Петрович Павлов получает Нобелевскую премию
Теория Творчества
Алгоритм инноваций на примере эволюции 2D-шутера
Естественные науки
Этические проблемы биомедицины и биотехнологий
Теория Творчества
Системный подход к теории абстракции
Бизнес и экономика
Условия контракта (райдер) с Арнольдом Шварценеггером
Гуманитарные науки
Цитата, парафраз и плагиат - в чем разница?
Теория Творчества
3 цели в искусстве по Г. Гегелю
Естественные науки
Эксперимент как метод познания
Педагогика и образование
Зачем мне нужна математика?
Теория Творчества
О природе научных принципов по Анри Пуанкаре