СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ЭЛЕКТРОН КАК НЕДЕЛИМАЯ КОРПУСКУЛА? СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ.

Рис. 1. Схема эксперимента по изучению корреляции сигналов от единичного электрона.

1.Источник электронов
2. Регистратор единичного электрона
3. Усилитель
4. Рассеивающий кристалл
5. Матрица детекторов
6. Блок обработки сигналов.

СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ЭЛЕКТРОН КАК НЕДЕЛИМАЯ КОРПУСКУЛА? СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ. Л.Р.

В 1949 г. советские физики Л.Биберман, Н.Сушкин, В.Фабрикант
осуществили эксперимент [1], доказавший, что волновыми свойствами обладает не только пучок электронов, но каждый электрон в отдельности.

Пучок электронов с энергией 72 Кэв проходил через дифрагирующий объект (кристаллики окиси магния, нанесенные на коллоидную пленку) и регистрировался чувствительной фотопластинкой. Хаотическое засвечивание отдельных зерен фотопластинки при достаточно длительной выдержке сливалось в типичную дифракционную картину.

Были получены дифракционные картины от пучков, отличавшихся по интенсивности почти на семь порядков. Они оказались совершенно тождественными. Измерение интенсивности предельно слабого пучка дало значение 4,2х10(3) электрона в секунду. Каждый электрон проходил свой путь в приборе за 8,5х10(-9)сек., тогда как среднее время между двумя прохождениями электронов составляло 2,4(-4)сек., т.е. в 30000 раз больше. Таким образом, вероятность случайного нахождения в приборе одновременно двух электронов не превышала [3,54х10(-5)]² ≈ 10(-9). Какое либо взаимодействие между электронами было при этом исключено, так что дифракционная картина была обусловлена свойствами каждого отдельного электрона.

Этот хрестоматийный эксперимент мог бы стать еще более содержательным, если бы рассматривалась не только усредненная картина засвечивания фотопластинки, но производилась бы покадровая съемка с выдержкой значительно меньшей, чем среднее время между двумя последовательными электронами [2,4(-4)]сек. В таком случае каждый кадр показывал бы результат действия на фотопластинку единичного электрона.

При такой постановке эксперимента можно было бы получить ответ на вопрос: существует ли электрон как локализованная корпускула или существует только волновое электронное поле?

В первом случае (поскольку корпускула по определению неделима), каждый электрон мог бы вызвать засвечивание фотопластинки только в одной точке (точнее, в пределах единичного зерна). Ни на одном снимке не наблюдалось бы засвечивание сразу двух и более удаленных друг от друга зерен. Во всяком случае, вероятность засвечивания двух зерен одновременно не превышала бы вероятность случайного наложения двух электронов в течение времени выдержки кадра. Эта вероятность, очевидно, равно квадрату отношения времени выдержки к среднему промежутку времени между прохождениями электронов.

Во втором случае (если физической реальностью является распределенное в пространстве электронное волновое поле), один «электрон» (фактически – один электронный волновой цуг) вызывал бы засвечивание фотопластинки сразу в нескольких точках, расположенных в пределах дифракционного пятна.

Постановка такого эксперимента была вполне осуществима уже в 1949 году, и тем более не представляет трудностей в настоящее время. Чтобы избежать утомительного визуального просмотра кадров (большая часть которых останется не засвеченными), может быть применено устройство автоматического просмотра с компьютерной регистрацией данных.

В качестве вариантов для регистрации электронов может быть применена матрица волноводных ФЭУ (микроканальная пластина) или матрица ПЗС. При этом отдельные ФЭУ или активные (не связанные между собой) пиксели могут разными способами коммутироваться по схеме совпадений. Например, отсчет может производиться только в случае одновременного срабатывания двух, трех, … n пикселей одновременно.

Если существует электрон как корпускула, то таких одновременных срабатываний быть не должно. Если же реальностью является электронное волновое поле, такие совпадения будут весьма частыми.

Измерение амплитуд сигналов на отдельных пикселях (или ФЭУ) позволит получить информацию о распределении интенсивности поля в пределах единичного электронного цуга.

Принципиальная схема эксперимента представлена на Рис.1.
Электроны из слаботочного источника (1) поступают на устройство (2), позволяющее регистрировать единичный электрон. Проходя вдоль оси соленоида, электрон вызывает в нем импульс тока, который через усилитель (3) включает затвор, препятствующий испусканию электронов в течение заданного времени Т. О том, что через соленоид прошел именно один электрон, а не два или более, можно судить по величине амплитуды импульса.

Единичный элетрон, прошеший через соленоид, попадает на кристалл (4), на котором он подвергается диффракционному рассеянию. На пути дифрагировавшей электронной волны ставится матрица детекторов (5), которая позволяет регистрировать факт одновременного появления сигнала на разных детекторах (или отсутствие такого факта). Корреляция сигналов на детекторах устанавливается с помощью устройства обработки сигналов (6).

Если электрон – корпускула, вероятность обнаружения которой определется волновой функцией, то одновременное появление сигналов на разных детекторах исключено: точечный электрон не может находиться в двух местах сразу.

Если же такие корреляции будут наблюдаться, то это будет означать, что электрон как локализованная частица не существует, а электронное волновое поле является физической реальностью, а не только "полем вероятности обнаружения электрона".

Разумеется, во втором случае появятся новые теоретические проблемы: прежде всего необходимо будет объяснить, какой смыл имеют для волнового поля такие величины, как масса покоя и электрический заряд. В случае справедливости корпускулярной гипотезы эти вопросы не возникают.

Однако никакие предварительные теоретические соображения не должны препятствовать постановке данного эксперимента, принципиальное значение которого не вызывает сомнений.

1. Л.Биберман, Н.Сушкин, В.Фабрикант.
Успехи Физических Наук. 1949. Август. Т. XXXVIII, вып.4.
Диффракция одиночных поочередно летящих электронов.
http://ufn.ru/ufn49/ufn49_8/Russian/r498e.pdf

ДОБАВЛЕНИЕ.
Аналогичный эксперимент можно осуществить с тепловыми нейтронами. Поскольку корпускулярная природа нейтрона не вызывает сомнений, то в этом случае ожидаемый эффект - отсутствие корреляций между срабатываниями детекторов.
Это позволяет внести в схему эксперимента существенное упрощение, поскольку элемент 2 перестает быть необходимым.