3.12. Что такое свет? Что такое электрон?

Вы здесь

На протяжении последних лет многие ученые задавались вопросами: из чего же в самом деле состоит свет — из волн или из частиц? Представляет ли собой электрон в действительности частицу или эта волна?

На эти вопросы нельзя ответить, просто подтвердив тот или другой из двух противоположных вариантов ответа. Свет как термин используют для описания определенных явлений природы. Этот термин относится ко всем свойствам, присущим свету, ко всем явлениям, наблюдаемым в любой системе, для которой характерен свет. Некоторые свойства света напоминают свойства волн, и их можно описать на основании представлений о длине волны. Другие свойства света напоминают свойства частиц, и их можно описать с привлечением представлений о световом кванте, несущем определенное количество энергии hν и обладающем определенной массой hν/c2. Луч света — это и не волны, и не поток частиц, это и то и другое одновременно.

Точно так же электрон не является ни частицей, ни волной в обычном понимании. Во многих отношениях поведение электрона напоминает поведение малых частиц, обладающих массой m и электрическим зарядом — е. Но электроны отличаются от обычных частиц, подобных шарику подшипника, поскольку электроны ведут себя так, как будто они имеют волновую природу и характеризуются длиной волны, даваемой уравнением де Бройля. Электрон, так же как и фотон, следует описывать, характеризуя его и как частицу, и как волну. 

После первого периода распространения этих новых представлений о природе света и электронов, ученые приняли такого рода идеи и обнаружили, что обычно можно предвидеть, когда в определенном эксперименте луч света следует описывать главным образом через длину волны, а когда определять через энергию и массу фотона. Иными словами, они научились правильно определять, когда целесообразно рассматривать свет состоящим из волн, а когда считать его состоящим из частиц — фотонов. Они научились точно так же распознавать, когда следует рассматривать электрон как частицу, а когда как волну. В некоторых опытах как волновой характер, так и корпускулярный характер сказываются весьма значительно, и в этих случаях необходимо провести тщательное теоретическое исследование с применением уравнений квантовой механики, чтобы предсказать поведение света или электрона. Можно задать и другие вопросы: существуют ли электроны и как они выглядят?

На первый вопрос следует ответить утвердительно. Да, электроны существуют: термин «электрон» ученые применяют при рассмотрении определенных явлений, таких, как пучок лучей в электрической разрядной трубке, изученный Дж. Дж. Томсоном; электроном называли носитель единичного электрического заряда на капельках масла в приборах Милликена; электрон — это то, что присоединяется к нейтральному атому фтора и обусловливает превращение его во фторид-ион. Что касается второго вопроса — как выглядит электрон, то на него нельзя ответить. Никто не знает, как можно рассмотреть электрон — он слишком мал, чтобы быть видимым в результате рассеяния им обычного видимого света, и пока не будут открыты более совершенные, чем известные ныне способы изучения природы, этот вопрос останется без ответа. Тем не менее можно кое-что сказать о том, как выглядят протон и нейтрон. При изучении рассеяния быстро движущихся электронов протонами и нейтронами получена информация о распределении в пространстве электрического заряда в этих частицах. Результаты такого рода исследований описаны в разд. 20.4.