Как теоретически определить, ведет ли себя электрон как волна или как частица

Я видел много вопросов по SE о двойственной природе электронов, ведущих себя в определенных обстоятельствах как частицы и как волны в некоторых других обстоятельствах. Есть одна вещь, на которую я не мог получить четкого ответа.

Проводя эксперимент с двумя щелями, мы все согласны с тем, что электроны ведут себя как волны. То же самое верно и для атомов, где электронные уровни описываются уравнением Шредингера. Однако, если мы говорим о такой области, как физика плазмы (моя область работы) и, возможно, о физике пучков, электроны классически рассматриваются как частицы с применением уравнения Ньютона для описания их движения. Модели, основанные на рассмотрении электронов частицами, показывают прекрасное согласие с экспериментальными результатами.

Из экспериментальных результатов и тестов мы знаем, что электроны ведут себя как волны (в эксперименте с двумя щелями) или как частицы (в моделях газового разряда). Мой вопрос: является ли эксперимент единственным способом решить, какая модель (волна/частица) лучше описывает электроны в конкретных обстоятельствах? Разве не существует какой-либо теоретической основы, которая решает, будут ли электроны вести себя как частицы или волны в конкретных обстоятельствах?

Для справки: в физике плазмы самый сильный тип теоретических моделей называется моделями частиц в ячейках (PIC). В этих моделях уравнение движения Ньютона решается для огромного числа частиц, в том числе и для электронов. Затем макроскопические свойства определяются путем усреднения. Этот метод, хотя и рассматривает электроны классически, очень успешно объясняет, что происходит в экспериментах.

Ответ МаксГрейвса - это почти то, что я собирался написать. Просто добавлю концептуальный/терминологический момент, который лично меня всегда раздражает: электроны всегда ведут себя как квантовые частицы, что никогда не совпадает с классической волной или классической частицей. Это не волна сегодня и частица завтра. Это всегда одна вещь, но эта вещь не полностью аналогична чему-либо классическому.
Таким образом, вся эта двойственность волны/частицы в лучшем случае приблизительна, а в худшем — вводит в заблуждение. Правила квантовой механики просто работают без каких-либо дополнительных данных о том, является ли сегодня «день волн» или «день частиц». Классическая механика возникает как так называемое приближение «геометрической оптики» к квантовой механике, если вы хочу посмотреть это.

Ответы (1)

Когда мы рассматриваем квантово-механические объекты, как если бы они были частицами, это часто называют классическим подходом. Интуитивно это будет верным на основе простого аргумента, связанного с длиной волны де Бройля:

λ г Б "=" 2 π ℏ 2 м к Б Т .
Чаще всего, когда эта длина волны порядка межатомного (или межобъектного) расстояния, тогда квантово-механические эффекты становятся вполне актуальными и приходится учитывать волновую природу материи. Для длин волн намного меньших, чем расстояние между атомами (или молекулами, элементарными частицами и т. д.), квантовые эффекты будут незначительными, и классическая трактовка работает просто отлично. Вы можете заметить, что λ г Б является функцией как массы объекта, так и температуры, поэтому увеличение одного из них при неизменном другом уменьшит длину волны де Бройля.

Вы работаете в области физики плазмы, поэтому эта длина волны чаще всего будет очень маленькой из-за высоких температур даже для очень «легких» объектов, таких как электроны. Таким образом, вам не нужно учитывать волновые свойства электрона, чтобы сделать точные расчеты определенных физических свойств системы. Электроны заряжены отрицательно, и из-за кулоновского отталкивания я подозреваю, что независимо от того, сколько энергии они имеют, расстояние между ними не будет порядка этой длины волны. Хотя чаще всего я изучаю низкотемпературные конденсированные вещества, поэтому я могу ошибаться в этом интервале.

Надеюсь, это поможет дать интуитивное представление о том, когда классическое лечение приемлемо, без необходимости ссылаться на эмпирические данные.

Майкл Браун: Я абсолютно согласен с вами в том, что дуализм волна/частица никогда не уходит в отпуск и что, когда мы работаем в классическом приближении, это происходит не потому, что наши электроны каким-то образом стали частицами, а не волнами. Мой ответ на самом деле состоял в том, чтобы осветить тот факт, что необходимо определить, какой характер является более доминирующим, чтобы эффективно моделировать системы. Кроме того, не могли бы вы принять мой ответ, чтобы я получил> 50 очков репутации, я новичок и хотел бы иметь возможность оставлять комментарии !!
Спасибо за информацию @MaxGraves, я сделал некоторые расчеты для длины волны де Бройля электронов при температуре 300 К, что дало примерно 6 нм. Последний эксперимент с двумя щелями был проведен в Университете Небраски в Линкольне, где они использовали ширину щели 62 нм. Вам не кажется, что если ширина щели в 10 раз больше длины волны электрона, то электрон должен вести себя классически?
Хм, нет, это только на порядок больше. Помимо этого, это восходит к тому, что сказал @Michael Brown, что у вас никогда не бывает строго ни того, ни другого. Природа вынуждает вас осознать, что у всего есть волновые и корпускулярные свойства. Насколько мне известно, следует ожидать, что дифракция от двойной щели будет происходить независимо от температуры. Мое заявление было больше о том, в каком режиме вы можете рассматривать частицы как классические и получать несколько разумные результаты от расчетов ожидаемых физических наблюдаемых, таких как энергия и т. Д.
Как теоретически определить, ведет ли себя электрон как волна или как частица
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v