СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТЕЙ

Обнаружение волновых свойств микрочастиц означает, что классическая механика не может дать правильного описания поведения микрообъектов. Новая физическая теория, устанавливающая законы движения и взаимодействия микрочастиц и фотонов с учетом их волновых и корпускулярных свойств, была разработана, главным образом, тремя физиками: Э. Шредингером (австр.), В. Гейзенбергом (нем.) и П. Дираком (англ.) в начале ХХ века и получила название волновой или квантовой механики.

В классической механике всякая частица движется по определённой траектории, так что ее координаты и импульс могут быть точно рассчитаны для любого момента времени. Совсем по иному обстоит дело, если рассматривается вопрос о локализации волнового процесса, т.е. о месте нахождения волны в данный момент времени. Ведь волна не имеет ни определенной траектории, ни определенной координаты. Т.о. возникает необходимость внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики.

Эти ограничения сформулированы Гейзенбергом и получили название соотношений неопределенностей. Основное из них гласит: чем точнее определены какие-либо из координат частицы, тем больше неопределенность в значении составляющей импульса (или скорости) в том же направлении, и наоборот. Количественно это записывается так:

 

Δx·Δp_x ≥ ђ Δx·Δυ_x ≥ ђ/m,

Δy·Δp_y ≥ ђ Δy·Δυ_y ≥ ђ/m, (3)

Δz·Δp_z ≥ ђ Δz·Δυ _z ≥ ђ/m,

 

где Δx, Δy, Δz – неопределенности координат; Δp_x, Δp_y, Δp_z – неопределенности проекций импульса на оси – x, y, z; Δυ_x, Δυ_y , Δυ_z – неопределенности проекций скоростей на соответствующие оси; m – масса микрочастицы; ђ = h/2π – постоянная Планка с крышечкой.

Из соотношения неопределенностей следует: если положение частицы точно известно (Δx=0), то в этом состоянии проекция импульса на ось х-ов совершенно не определена (Δp_х → ∞), и наоборот.

Покажем, что соотношение неопределенностей действительно вытекает из волновых свойств микрочастиц. Рассмотрим мысленный опыт по дифракции потока электронов на щели шириной Δx ~ λ, расположенной перпендикулярно к направлению движения частиц (рис. 3).

До прохождения через щель p_х = 0; ∆p_х = 0, а координата x не определена, т.е. ∆x→ ∞. В момент прохождения через щель координата электрона имеет неопределенность ∆x равную ширине щели. В то же время, из-за дифракции, электроны отклоняются от первоначального направления и будут двигаться в пределах угла 2φ, где φ – угол дифракции. Теперь появляется неопределенность в значении составляющей импульса вдоль оси x-ов:

 

∆p_х = p∙sinφ = h sinφ / λ_Б . (4)

 

Если даже ограничиться электронами, попадающими на экран в пределах центрального максимума, то sinφ найдем из условия 1-ого минимума на щели (bsinφ = kλ, где b – ширина щели, k – порядок минимума):

∆x∙sinφ = λ_Б. (5)

 

Подставляя выражение для sinφ в (4), после преобразования получим

 

Δx·Δp_x = h (6)

 

Учитывая главные max более высоких порядков, куда тоже попадают электроны, окончательно будем иметь:

 

Δx·Δp_x ≥ h ≥ ђ (7)

 

Следует подчеркнуть, что невозможность одновременного и точного определения координаты и соответствующей составляющей импульса не связана с несовершенством наших знаний или неточностью приборов, а является следствием специфических и вместе с тем объективных свойств микрообъектов.

Проиллюстрируем оценку границ применимости теории на примерах.

1. Скорость движения электрона в электроннолучевой трубке составляет υ_х=10⁶ м/с и определена с точностью до Δυ_х=10² м/с. Тогда неопределенность координаты:

Δx·Δυ_x ≥ ђ/m, .

Т.е. в данном случае можно говорить о точке падения каждого отдельного электрона на экран и о траектории.

2. Скорость движения электрона в атоме водорода υ_х ~ 10⁶ м/с, неопределенность координаты порядка диаметра атома Δx = d ~10^-10 м. Тогда неопределенность величины скорости

Т.е. неопределенность скорости соизмерима с самой скоростью. Это означает, что электрон не может теперь рассматриваться как дискретная частица.

Соотношение неопределенностей может быть записано для любой пары взаимосвязанных характеристик состояния микрочастиц, например, для энергии и времени пребывания в этом энергетическом состоянии:

ΔЕ·Δt ≥ ђ. (8)

 

Из данного соотношения видно, что разброс энергии ΔЕ = ђ/Δt возрастает с уменьшением среднего времени пребывания системы в состоянии с энергией Е. Отсюда, следует, что частота излученного фотона также должна иметь неопределенность:

Δv = ΔЕ / h, (9)