246
Таким образом, было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами - интерференцией и дифракцией свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц - фотонов. В этом проявляется дуализм света, его сложная корпус куляр но-волновая природа. Дуализм содержится уже в самой формуле Е = Av, поскольку слева стоит энергия частицы, а справа -частота волны. Возникло формальное противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других - корпускулярную. По существу, разрешение этого противоречия и привело к созданию основ квантовой механики.
В 1924 г. Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 г. Н. Бором условиям квантования атомных орбит выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма [16]. Согласно де Бройлю, каждой частице, независимо от ее природы, следует поставить в соответствие волну, длина которой X связана с импульсом частицы р соотношением
X = hip.
По этой гипотезе не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и пр.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в явлении дифракции. В 1927 г. К. Дэвиссон и Л.Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов [17, 18]. Позднее волновые свойства были обнаружены и у других частиц, и справедливость формулы де Бройля была подтверждена экспериментально. Однако надо заметить, что другое свойство волн - интерференция не было получено у элементарных частиц вещества, так что сопоставление частиц с волнами оказалось достаточно условным.
В 1925 г. Гейзенбергу удалось построить такую формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали абстрактные алгебраические величины - матрицы, связь которых с наблюдаемыми величинами - энергетическими уровнями и интенсивностями квантовых переходов - давалась простыми правилами [19].
Квантовая механика получила дополнение в виде принципа Паули
(1925), согласно которому в каждом электронном состоянии в атоме может находиться только один электрон [20-23].
В 1926 г. М. Борн дал вероятностную интерпретацию волн де Бройля [24]. Он предложил считать волны де Бройля «волнами вероятности», т.е. дать им чисто математическое истолкование. В том
247
же 1926 г. Э.Шредингер [25, 26] предложил уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях:
8 п2т
Ау/ +--(Е - Ц)у/ = 0.
h2
Это уравнение отражает поведение точечной массы в силовом поле, но выражено движение этой массы не в координатах, как это было обычно принято ранее, а в изменениях полной и потенциальной энергий. Ансамбль же таких масс, выраженный функцией у/, по мысли авторов квантовой механики, уже не отражает массовые характеристики множества таких элементарных масс в пространстве, т.е. плотность среды, а представляет собой «плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства». Так возникла «волновая механика», которая вскоре была отождествлена с квантовой механикой. Волновое уравнение Шредингера является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики.
Атомная физика была развита методами квантовой механики, авторами которой были В.Гейзенберг и М.Борн (Германия),
Э.Шредингер (Австрия) и П.Дирак (Англия). Представления квантовой механики о движении микрочастиц коренным образом отличаются от классических. Явления микромира, как полагают последователи квантовой механики, принципиально отличаются от явлений макромира тем, что они квантованы, дискретны, т.е. прерывисты, в то время как явления макромира не квантованы, а непрерывны.
Согласно квантовой механике, электрон не движется по траектории подобно твердому шарику, он распространен во всем пространстве, хотя действует как единое целое. В пространстве он распространен подобно плоской волне, обладающей определенной частотой и определенной дайной волны. Его энергия как частицы связана с его частотой и определяется выражением Е = Av.
Устойчивые движения электрона в атоме, как показал Шредингер
(1926), соответствуют стоячим волнам, амплитуды которых в разных точках различны. При этом в атоме, как в колебательной системе, возможны лишь некоторые «избранные» движения с определенными значениями энергии, момента количества движения и проекции магнитного момента электрона в атоме. Каждое стационарное состояние атома описывается волновой (//-функцией, характеризующей распределение плотности электронного заряда в атоме. Этой волновой функции было приписано значение плотности вероятности появления