90
Глава 3.
3.3.5. Дифракция частиц
Как известно, дифракция волн есть явление, наблюдаемое при прохождении волн мимо края препятствия. Суть явления заключается в том, что после непрозрачного для волн препятствия волны отгибаются в сторону тени. Волны как бы огибают препятствие. Если поставить за препятствием экран, то волны на нем образуют дифракционную картину, в которой наблюдаются светлые и темные полосы, расстояния между которыми определяются длиной волны и размерами щелей или отверстий, через которые проходят волны. Одной из особенностей дифракционной картины является то, что она свойственна всем видам волн независимо от их физической природы.
Построить дифракционную картину можно, опираясь на так называемый принцип Гюйгенса-Френеля. Согласно этому принципу можно каждую точку пространства, которой достигла волна, рассматривать как источник вторичных волн. Поэтому, например, поставив на пути волн экран с малым отверстием (диаметр отверстия должен быть соизмерим с длиной волны), получим в этом отверстии как бы источник вторичных волн, от которого распространяется сферическая волна. Это вторичная сферическая волна попадает в область геометрической тени, образуя на втором не прозрачном экране дифракционную картину.
Если имеется экран с двумя малыми щелями или отверстиями, на их выходе волны накладываются друг на друга и в результате интерференции волн дают чередующиеся в пространстве максимумы и минимумы освещенности - амплитуды результирующей волны с плавными переходами от одного максимума к другому. С увеличением числа щелей максимумы становятся боле узкими. При большом количестве равноотстоящих щелей (дифракционная решетка) получаются резко разделенные направления взаимного усиления волн.
Принцип Гюйгенса-Френеля позволяет с высокой точностью рассчитать дифракционную картину, если известны параметры воли, размеры щелей и расстояния между экранами. Однако из этого принципа не вытекает природа самого явления. В самом деле, почему, на каком основании каждую точку пространства можно принимать за источник вторичных волн? Что это за вторичные волны? Куда в таком случае девается первичная волна? В чем существо процесса перехода первичной волны во вторичную? Ни о чем таком принцип Гюйгенса-Френеля не говорит. Таким образом, данный принцип есть не
Цем отличается квантовая механика от классической/
91
объяснение явления, а всего лишь математический (геометрический) прием, позволяющий рассчитать явление, но никак не понять его
внутреннюю сущность.
Однако понять физическую суть дифракции волн, вероятно, не слишком сложно. В самом деле, для этого достаточно вспомнить, что всякая волна в каждой единице объема несет определенную энергию, выраженную в виде какого-либо напряжения среды - либо в виде давления, как это бывает в звуковой волне, либо в виде дополнительного приращения потенциальной энергии среды, как это бывает в волнах на поверхности жидкости, находящейся в поле тяжести, либо в виде приращения электромагнитной энергии как приращений электрической или магнитной напряженностей или обеих вместе. Если такого приращения напряжения среды нет, то нет и волн. Собственно, такое приращение напряжения среды и обеспечивает прохождение волны из одной точки пространства в другую. Поэтому, пока есть непрозрачное вещество, это приращение энергии не может распространяться в боковые стороны, но, когда луч вырывается за пределы бокового препятствия, выходит из отверстия экрана, то избыток напряженности среды, не компенсируемый с боковых сторон подобной же напряженностью, заставляет волну смещаться в сторону тени. В этом и заключается физическая суть явления, никоим образом не противостоящая содержанию и букве обычной классической физики. Просто в классической физике не было принято подобные явления рассматривать применительно к малому объему. А зря!
Иное дело, когда рассматривается дифракция частиц. По внешнему своему проявлению это явление очень похоже на дифракцию света. Однако это явление качественно иное. В самом деле, оттого что частица пролетает рядом с непрозрачным экраном, в ней самой ничего не должно меняться. Природа взаимодействия летящей частицы и экрана никем не вскрыта, но зато найден эффективный метод расчета дифракционной картины, опирающейся на представления де Бройля о «волнах материи».
В соответствии с представлениями де Бройля свободно движение частицы можно представить как плоскую монохроматическую волну, длина волны при этом обратно пропорциональна массе и скорости частицы. Расчеты, выполненные в соответствии с этими положениями, подтверждаются экспериментами, и основные геометрические
