§ 4.11 Волновые свойства частиц

§ 4.11 Волновые свойства частиц

Его богатое воображение, его оптимистическая готовность овладеть проблемой, не затруднённые слишком критическим подходом, были бы здесь весьма уместны.

А. Зоммерфельд по поводу ранней кончины В. Ритца [50]

Вальтер Ритц, подобно Шерлоку Холмсу, был непревзойдённым мастером по простому рациональному объяснению, на первый взгляд, сверхъестественных явлений и загадочных фактов, оказавшихся не по зубам представителям официальных структур. Так, Ритц классически объяснил результат опыта Майкельсона, спектры атомов, излучение чёрного тела. И, в объяснении волновых свойств частиц, пожалуй, именно Ритц, которому было многое по плечу, благодаря его оптимизму и смелому воображению, предложил бы разгадку. Однажды он уже сделал это, объяснив на базе корпускулярной теории истечения света и баллистического принципа волновые свойства света, переносимого частицами-реонами. Несомненно, Ритц предложил бы разумное наглядное классическое объяснение и волновым свойствам всех других частиц.

Так, волновые свойства были обнаружены не только у электронов, но и у других частиц, — нейтронов, атомов и молекул. Но, совершенно так же, как в случае реонов и электронов, эти опыты можно объяснить классически, не прибегая к гипотезе корпускулярно-волнового дуализма, а продолжая считать частицы простыми телами, корпускулами.

Рис. 166. Схема работы селектора скоростей, пропускающего молекулы со скоростями V=d/t.

Рассмотрим, например, дифракцию молекулярных пучков на поверхности кристалла. Сначала прибор, называемый "селектором скоростей" и представляющий собой два вращающихся диска с прорезями [134], выделяет из пучка частицы, обладающие заданной скоростью и соответствующей длиной волны де Бройля (Рис. 166). Этот пучок падает на кристалл и отражается, подобно электронному (Рис. 161). При этом, кроме пучка, отражённого под углом падения ?, возникают два побочных пучка, — два вторичных максимума, как от дифракции (Рис. 167). Эти максимумы отстоят от главного тем дальше, чем ниже скорость молекул и больше длина волны. Кажется, этот опыт уверенно доказывает волновые свойства частиц. Но это только кажется, поскольку он тоже имеет простую классическую трактовку. Прежде всего, селектор пропускает помимо молекул со скоростью V=d/t, частицы, летящие со скоростями d/(t+nT), где n — целое число, T — период обращения дисков. То есть, в кристалл попадают и сравнительно медленные частицы, за время пролёта которых селектор делает один или n оборотов.

Рис. 167. Картина рассеяния пучка атомов кристаллом напоминает дифракционную, но объясняется классически.

Теперь рассмотрим частицу, падающую на поверхность кристалла. Атом отскакивает не от отдельных атомов кристалла, а от взаимодействия с их общим электрическим полем. Поле атомной плоскости имеет волнистые эквипотенциальные поверхности, горбы которых расположены напротив атомов, а впадины — между ними. При этом, чем дальше от границы кристалла, тем более плоскими и гладкими становятся плоскости равного потенциала. От этих эквипотенциальных поверхностей и отскакивают, отражаются атомы или молекулы газа. Чем выше энергия частиц газа, тем от более глубокой поверхности они отразятся, словно от жёсткой, то есть, — под углом равным углу падения. Если сечение поверхности изобразить синусоидой с предельной крутизной ?, то видно, что атомы будут отражаться под любыми углами, заключёнными в пределах от ?–2? до ?+2?. Причём интенсивней всего идёт отражение именно под этими крайними углами: каждый пучок создаёт по два максимума (Рис. 168). У медленных частиц они отстоят мало, поскольку частицы отражаются внешними эквипотенциальными слоями, почти плоскими, — с малым ?. Эти медленные молекулы с V=d/(t+nT), которых в газе больше всего, и создают высокий главный пик возле угла ? — максимумы слиты в один (Рис. 167). Зато быстрые молекулы c V=d/t доходят до более глубоких слоёв с большей волнистостью и крутизной ?. Именно они создают возле главного два побочных максимума, ошибочно принятых за дифракционные.

Рис. 168. Рассеяние атомов поверхностью кристалла под избранными углами — результат отражения атомов эквипотенциальными поверхностями.

Чем выше скорости быстрейших молекул, пропущенных селектором, тем глубже лежат отражающие их эквипотенциальные поверхности, имеющие большую крутизну ?. И тем дальше отстоят побочные максимумы от главного. Впрочем, с углублением угол ? может и снижаться. Вот почему результаты таких опытов неоднозначны, и не приводится их количественный анализ. Ведь, если эффект — классический и не связан с дифракцией, то опыт и не может дать согласия с формулами квантовой механики, доказав ложность волн де Бройля.

Бесполезность волновых свойств частиц и "дифракции" для объяснения эффекта следует и из того, что эффект удалось наблюдать лишь у лёгких атомов гелия и молекул водорода. Если же применялись более тяжёлые инертные газы и пары металлов, то "дифракционная" картина не возникала. Как показали опыты 1971 г., вместо трёх максимумов получался либо один пик, либо два симметричных горба ("Техника — Молодёжи" № 4, 2001). Видимо, это связано с низкой скоростью тяжёлых атомов, отчего через селектор проходили лишь самые быстрые из них, а все прочие рассеивались. Как показано выше, именно такие атомы, летящие со скоростью V=d/t, и образуют два симметрично рассеянных горба. Если же угол ? близок к углу предельной крутизны ?, то из этих двух горбов остаётся только один горб-лепесток, соответствующий отражению пучка атомов под углом ?+2?. А второй горб, отвечающий углу отражения ?–2?, не может возникнуть или имеет ничтожную интенсивность, подобно пику, отвечающему зеркальному отражению под углом ?. Тем самым, доказано, что отражение атомных и молекулярных пучков носит не дифракционный характер, "предсказанный" квантовой механикой, а вполне классический.

Последний убедительный, по мнению физиков, довод в пользу волновых свойств частиц — это дифракция нейтронов. Поток нейтронов, равно как поток электронов, при падении на кристалл рождает дифракционные картины. Однако, причина их вряд ли в дифракции нейтронов. Скорее дело в том, что нейтроны, как известно, тоже генерируют при попадании в вещество электромагнитные волны рентгеновского и гамма-диапазона. Нейтроны, сталкиваясь с ядром, переводят его в возбуждённое состояние, подобно электронам, возбуждающим атом (именно по такому принципу накачки нейтронами работает, к примеру, ?-лазер). Вспомним, что нуклоны (протон и нейтрон) играют ту же роль в генерации ядерных спектров, что и электрон с позитроном — в генерации атомных спектров (§ 3.7). Ядро, поглотившее нейтрон, возбуждается и начинает излучать электромагнитные волны, частота f которых связана с энергией E падающего нейтрона. Возможно, в ядре он распадается до протона и электрона, которые, получив всю энергию нейтрона, начинают вращаться в магнитном поле ядра с частотой f=E/h, излучая на длине волны, близкой к дебройлевской ?=h/(E/c)?h/p, где p — импульс падающего нейтрона (§ 4.3). И, наоборот, излучение частоты f способно резонансно выбить из ядра нейтрон энергии E=hf, скажем, — в результате удара по ядру фотоэлектрона энергии E или вылета крутящегося с частотой f протона, захватившего при вылете из ядра электрон [135, с. 64]. Такой резонансный вылет протонов и нейтронов, под действием гамма-излучения соответствующей частоты, давно известен [19] и называется "ядерным фотоэффектом" (фотоядерными реакциями). То есть, аналогия проявления "волновых" свойств электронов и нейтронов при взаимодействии с атомами — это ещё один пример родства свойств атома и ядра, а также единого механизма генерации атомных и ядерных спектров (§ 3.1, § 3.7).

Таким образом, снова имеем классическую картину: падающие нейтроны возбуждают излучение соответствующей длины волны, которое и дифрагирует на кристалле. Затем, в тех точках дифракционной картины, где излучение наиболее интенсивное, из ядер вылетают нейтроны (в ходе ядерного фотоэффекта § 4.6), которые регистрируются приборами. Рентгено-, электроно- и нейтронография потому и стали самыми популярными методами анализа структуры вещества, что в каждом из них создаётся рентгеновское излучение, удобное для изучения кристаллов. Разнятся лишь способы генерации и регистрации этого излучения. Таким образом, ни к чему считать частицы ещё и волнами. Все их так называемые "волновые" свойства — это иллюзия. Принцип Оккама снова оправдал себя!

Явления и законы природы жёстко детерминированы и вполне познаваемы. Поэтому, учёный, желающий добиться настоящего успеха в науке, должен быть, прежде всего, оптимистом, обладать безграничной уверенностью в возможности понять и объяснить явления природы на рациональной основе, с позиций наглядных классических, а не мистических представлений. Если по-настоящему захотеть и постараться, то удастся найти простое естественное объяснение любым загадкам природы. Именно в таком оптимизме, смелости воображения, как верно заметил Зоммерфельд, и состояла одна из причин успеха Ритца в понимании явлений природы. Не зря, именно Ритц, в согласии с законами диалектики, непротиворечиво соединив волновые и корпускулярные представления о свете, впервые дал наглядное адекватное классическое описание потока волн материи — образуемых реонами кинематических волн, аналогичных классическим электронным "волнам" в клистронах (§ 1.11).