Главная > Физика > Квантовая теория
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

12. Волномеханическое объяснение следов в камере Вильсона.

Представляет интерес воспользоваться волновыми и корпускулярными представлениями для объяснения типичного эксперимента, например, для объяснения возникновения следа (трека) частицы в камере Вильсона. (Эта задача уже частично рассматривалась в п. 2.) Так как частица проходит вблизи атомов газа, то она их возбуждает (или ионизирует), оставляя вдоль своей траектории след возбужденных атомов и ионов. При расширении газа эти ионы служат центрами конденсации водяных капель, которые и делают видимым путь частицы.

Как можно объяснить это явление с помощью волновой теории? Известно, что атом возбуждается или ионизируется, так как

заряженная частица, пролетая мимо, передает атому квант энергии. Поскольку маловероятна ионизация атома, когда заряженная частица пролетает от него на расстояниях, больших чем несколько атомных диаметров, то можно считать, что наблюдение капелек, возникших на ионах, принципиально дает возможность определить путь, проходимый частицей с точностью порядка нескольких атомных диаметров. При используемых давлениях газа в камере частица, попадая в нее, практически столкнется с каким-нибудь атомом уже на очень коротком расстоянии порядка Следовательно, когда электронный волновой пакет попадает в камеру, то он быстро разбивается на независимые пакеты, не имеющие определенных фазовых соотношений между собой, причем размеры каждого пакета будут порядка нескольких атомных диаметров. Как было показано в пп. 3 и 5, электрон находится только в одном из этих пакетов, а волновая функция представляет собой лишь вероятность того, что электрон находится в данном пакете. Каждый из этих пакетов может служить возможной исходной точкой для новой траектории, но каждую из этих исходных точек надо рассматривать как отдельную и независимую возможность, которая при своем осуществлении исключает все остальные.

Если гервоначальный импульс частицы был очень велик, то неопределенность в импульсе, возникающая в результате взаимодействия с атомом, приведет лишь к небольшому отклонению, поэтому все неинтерферирующие пакеты будут двигаться почти с той же скоростью по величине и направлению, что и пакет падающей частицы. По мере движения каждый пакет начинает расплываться, и волновые свойства электрона начинают превалировать над его корпускулярными характеристиками. Однако, прежде чем пакет сумеет очень сильно расплыться, он окажется вблизи другого атома и опять разобьется на неинтерферирующие пакеты, каждый из которых представляет собой отдельную и независимую возможность локализации объекта в виде частицы. Осуществление любой из этих возможностей исключает все остальные. Таким образом, процесс непрерывного взаимодействия с атомами газа мешает беспрепятственному проявлению волновых свойств падающей «частицы».

Истинная траектория, полученная по наблюдениям треков ионов, подобна кривой, изображенной на рис. 24. Она состоит из множества мелких отклонений, возникающих всякий раз, когда пакет находится вблизи атома. Эти отклонения надо понимать как рассеяние частицы атомами. Так как нельзя точно предсказать, где пакет столкнется с атомом, или какой импульс будет передан атому, то нельзя

Рис. 24.

указать и точную форму пути. Но если скорость частицы достаточно велика, то появление больших отклонений маловероятно, и поэтому траектория будет близка к прямой линии. В противном случае траектория может иметь резкие случайные отклонения от прямой.

Если сравнить это описание с классическим представлением, что через камеру проходит частица, то получается по существу тот же результат. Классически также предсказываются отклонения частицы, величина и распределение которых должны, в принципе, точно определяться расположением каждого атома относительно пролетающей частицы. Но так как практически определить эти положения атомов невозможно, то получается ряд случайных отклонений.

Таким образом, можно объяснить наблюдаемые следы частиц в камере Вильсона с помощью волновой функции, используя ее вероятностную трактовку. Все данные, доказывающие корпускулярную природу материи, получаются из опытов такого типа, в которых траектория определится путем последовательных измерений координат. Но мы видели, что квантовая теория предсказывает, что проявление корпускулярных свойств электрона, при котором он ведет себя как частица, имеет место лишь при непрерывном взаимодействии с прибором, измеряющим его положение (в данном случае этим прибором являются атомы, которые позже становятся центрами водяных капелек), что препятствует проявлению волновых свойств электрона. До тех пор, пока измерения положения не изменяют заметным образом импульса, система ведет себя так, как будто она обладает непрерывной и достаточно точно определенной траекторией. Но если приблизиться к квантовым пределам точности, то неконтролируемые отклонения, возникающие при взаимодействиях с атомами газа, не позволяют говорить о непрерывной и динамически определенной траектории частицы. Если, например, интересоваться точным описанием движения каждого электрона при его рассеянии атомом газа, то волновые свойства электрона становятся весьма существенными (см., например, гл. 21).

Таким образом, мы приходим к выводу, что квантовая трактовка связи волновых и корпускулярных свойств материи позволяет объяснить все материальные явления.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление