ÑÓÙÅÑÒÂÓÅÒ ËÈ ÝËÅÊÒÐÎÍ ÊÀÊ ÍÅÄÅËÈÌÀß ÊÎÐÏÓÑÊÓËÀ?   ÑÏÎÑÎÁ ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÎÉ ÏÐÎÂÅÐÊÈ. Ë.Ð.
Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòà  ïî èçó÷åíèþ  êîððåëÿöèè ñèãíàëîâ îò åäèíè÷íîãî ýëåêòðîíà.

1.Èñòî÷íèê ýëåêòðîíîâ
2. Ðåãèñòðàòîð åäèíè÷íîãî ýëåêòðîíà
3. Óñèëèòåëü
4. Ðàññåèâàþùèé êðèñòàëë
5. Ìàòðèöà äåòåêòîðîâ
6. Áëîê îáðàáîòêè ñèãíàëîâ.
  Â 1949 ã. ñîâåòñêèå ôèçèêè Ë.Áèáåðìàí, Í.Ñóøêèí, Â.Ôàáðèêàíò
îñóùåñòâèëè ýêñïåðèìåíò  [1], äîêàçàâøèé, ÷òî âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè îáëàäàåò íå òîëüêî ïó÷îê ýëåêòðîíîâ, íî êàæäûé ýëåêòðîí â îòäåëüíîñòè.

  Ïó÷îê ýëåêòðîíîâ ñ ýíåðãèåé 72 Êýâ ïðîõîäèë ÷åðåç äèôðàãèðóþùèé îáúåêò (êðèñòàëëèêè îêèñè ìàãíèÿ, íàíåñåííûå íà êîëëîèäíóþ ïëåíêó) è ðåãèñòðèðîâàëñÿ ÷óâñòâèòåëüíîé ôîòîïëàñòèíêîé.  Õàîòè÷åñêîå çàñâå÷èâàíèå îòäåëüíûõ çåðåí ôîòîïëàñòèíêè ïðè äîñòàòî÷íî äëèòåëüíîé âûäåðæêå ñëèâàëîñü â òèïè÷íóþ äèôðàêöèîííóþ êàðòèíó.

  Áûëè ïîëó÷åíû äèôðàêöèîííûå êàðòèíû îò ïó÷êîâ, îòëè÷àâøèõñÿ ïî èíòåíñèâíîñòè ïî÷òè íà ñåìü ïîðÿäêîâ. Îíè îêàçàëèñü ñîâåðøåííî òîæäåñòâåííûìè.  Èçìåðåíèå èíòåíñèâíîñòè ïðåäåëüíî ñëàáîãî ïó÷êà äàëî çíà÷åíèå 4,2õ10(3) ýëåêòðîíà â ñåêóíäó. Êàæäûé ýëåêòðîí ïðîõîäèë ñâîé ïóòü â ïðèáîðå çà 8,5õ10(-9)ñåê., òîãäà êàê ñðåäíåå âðåìÿ ìåæäó äâóìÿ ïðîõîæäåíèÿìè ýëåêòðîíîâ ñîñòàâëÿëî 2,4(-4)ñåê., ò.å. â 30000 ðàç áîëüøå. Òàêèì îáðàçîì, âåðîÿòíîñòü ñëó÷àéíîãî íàõîæäåíèÿ â ïðèáîðå îäíîâðåìåííî äâóõ ýëåêòðîíîâ íå ïðåâûøàëà  [3,54õ10(-5)]² ≈ 10(-9). Êàêîå ëèáî âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ýëåêòðîíàìè áûëî ïðè ýòîì èñêëþ÷åíî, òàê ÷òî äèôðàêöèîííàÿ êàðòèíà áûëà îáóñëîâëåíà ñâîéñòâàìè êàæäîãî îòäåëüíîãî ýëåêòðîíà.

Ýòîò õðåñòîìàòèéíûé ýêñïåðèìåíò ìîã áû ñòàòü åùå áîëåå ñîäåðæàòåëüíûì, åñëè áû ðàññìàòðèâàëàñü íå òîëüêî óñðåäíåííàÿ êàðòèíà çàñâå÷èâàíèÿ ôîòîïëàñòèíêè, íî ïðîèçâîäèëàñü áû ïîêàäðîâàÿ ñúåìêà ñ âûäåðæêîé çíà÷èòåëüíî ìåíüøåé, ÷åì ñðåäíåå âðåìÿ ìåæäó äâóìÿ ïîñëåäîâàòåëüíûìè ýëåêòðîíàìè [2,4(-4)] ñåê.  òàêîì ñëó÷àå êàæäûé êàäð ïîêàçûâàë áû ðåçóëüòàò äåéñòâèÿ íà ôîòîïëàñòèíêó åäèíè÷íîãî ýëåêòðîíà.

Ïðè òàêîé ïîñòàíîâêå ýêñïåðèìåíòà ìîæíî áûëî áû ïîëó÷èòü îòâåò íà âîïðîñ: ñóùåñòâóåò ëè ýëåêòðîí êàê ëîêàëèçîâàííàÿ êîðïóñêóëà, èëè ñóùåñòâóåò òîëüêî âîëíîâîå ýëåêòðîííîå ïîëå?

 ïåðâîì ñëó÷àå (ïîñêîëüêó êîðïóñêóëà ïî îïðåäåëåíèþ íåäåëèìà),  êàæäûé ýëåêòðîí ìîã áû âûçâàòü çàñâå÷èâàíèå ôîòîïëàñòèíêè òîëüêî â îäíîé òî÷êå (òî÷íåå, â ïðåäåëàõ åäèíè÷íîãî çåðíà). Íè íà îäíîì ñíèìêå íå íàáëþäàëîñü áû çàñâå÷èâàíèå ñðàçó äâóõ è áîëåå óäàëåííûõ äðóã îò äðóãà çåðåí. Âî âñÿêîì ñëó÷àå, âåðîÿòíîñòü îäíîâðåìåííîãî çàñâå÷èâàíèÿ äâóõ çåðåí íå ïðåâûøàëà áû âåðîÿòíîñòü ñëó÷àéíîãî íàëîæåíèÿ äâóõ ýëåêòðîíîâ â òå÷åíèå âðåìåíè âûäåðæêè êàäðà. Ýòà âåðîÿòíîñòü, î÷åâèäíî, ðàâíà êâàäðàòó îòíîøåíèÿ âðåìåíè âûäåðæêè ê ñðåäíåìó ïðîìåæóòêó âðåìåíè ìåæäó ïðîõîæäåíèÿìè ýëåêòðîíîâ.

Âî âòîðîì ñëó÷àå (åñëè ôèçè÷åñêîé ðåàëüíîñòüþ ÿâëÿåòñÿ ðàñïðåäåëåííîå â ïðîñòðàíñòâå ýëåêòðîííîå âîëíîâîå ïîëå), îäèí «ýëåêòðîí» (ôàêòè÷åñêè – îäèí ýëåêòðîííûé âîëíîâîé öóã) âûçûâàë áû çàñâå÷èâàíèå ôîòîïëàñòèíêè ñðàçó â íåñêîëüêèõ òî÷êàõ, ðàñïîëîæåííûõ â ïðåäåëàõ äèôðàêöèîííîãî ïÿòíà.

Ïîñòàíîâêà òàêîãî ýêñïåðèìåíòà áûëà âïîëíå îñóùåñòâèìà óæå â 1949 ãîäó, è òåì áîëåå íå ïðåäñòàâëÿåò òðóäíîñòåé â íàñòîÿùåå âðåìÿ. ×òîáû èçáåæàòü óòîìèòåëüíîãî âèçóàëüíîãî ïðîñìîòðà êàäðîâ (áîëüøàÿ ÷àñòü êîòîðûõ îñòàíåòñÿ íå çàñâå÷åííûìè), ìîæåò áûòü ïðèìåíåíî óñòðîéñòâî àâòîìàòè÷åñêîãî ïðîñìîòðà ñ êîìïüþòåðíîé ðåãèñòðàöèåé äàííûõ.

 êà÷åñòâå âàðèàíòîâ äëÿ ðåãèñòðàöèè ýëåêòðîíîâ ìîæåò áûòü ïðèìåíåíà ìàòðèöà âîëíîâîäíûõ ÔÝÓ (ìèêðîêàíàëüíàÿ ïëàñòèíà) èëè ìàòðèöà ÏÇÑ. Ïðè ýòîì îòäåëüíûå ÔÝÓ èëè àêòèâíûå (íå ñâÿçàííûå ìåæäó ñîáîé) ïèêñåëè ìîãóò ðàçíûìè ñïîñîáàìè êîììóòèðîâàòüñÿ ïî ñõåìå ñîâïàäåíèé. Íàïðèìåð, îòñ÷åò ìîæåò ïðîèçâîäèòüñÿ òîëüêî â ñëó÷àå îäíîâðåìåííîãî ñðàáàòûâàíèÿ äâóõ, òðåõ, … n  ïèêñåëåé îäíîâðåìåííî.

Åñëè ñóùåñòâóåò ýëåêòðîí êàê êîðïóñêóëà, òî òàêèõ îäíîâðåìåííûõ ñðàáàòûâàíèé áûòü íå äîëæíî. Åñëè æå ðåàëüíîñòüþ ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîííîå âîëíîâîå ïîëå, òàêèå ñîâïàäåíèÿ áóäóò âåñüìà ÷àñòûìè.

Èçìåðåíèå àìïëèòóä ñèãíàëîâ íà îòäåëüíûõ ïèêñåëÿõ (èëè ÔÝÓ) ïîçâîëèò ïîëó÷èòü èíôîðìàöèþ î ðàñïðåäåëåíèè èíòåíñèâíîñòè ïîëÿ â ïðåäåëàõ åäèíè÷íîãî ýëåêòðîííîãî öóãà.

Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà ýêñïåðèìåíòà ïðåäñòàâëåíà íà Ðèñ.1.
Ýëåêòðîíû èç ñëàáîòî÷íîãî èñòî÷íèêà (1) ïîñòóïàþò íà óñòðîéñòâî (2), ïîçâîëÿþùåå ðåãèñòðèðîâàòü  åäèíè÷íûé ýëåêòðîí. Ïðîõîäÿ âäîëü îñè ñîëåíîèäà, ýëåêòðîí âûçûâàåò â íåì èìïóëüñ òîêà, êîòîðûé ÷åðåç óñèëèòåëü (3) âêëþ÷àåò çàòâîð, ïðåïÿòñòâóþùèé èñïóñêàíèþ ýëåêòðîíîâ â òå÷åíèå çàäàííîãî âðåìåíè Ò. Î òîì, ÷òî ÷åðåç ñîëåíîèä ïðîøåë èìåííî îäèí ýëåêòðîí, à íå äâà èëè áîëåå, ìîæíî ñóäèòü ïî âåëè÷èíå àìïëèòóäû èìïóëüñà.

Åäèíè÷íûé ýëåòðîí, ïðîøåøèé ÷åðåç ñîëåíîèä, ïîïàäàåò íà êðèñòàëë (4), íà êîòîðîì îí ïîäâåðãàåòñÿ äèôôðàêöèîííîìó ðàññåÿíèþ. Íà ïóòè äèôðàãèðîâàâøåé ýëåêòðîííîé âîëíû ñòàâèòñÿ ìàòðèöà äåòåêòîðîâ (5), êîòîðàÿ ïîçâîëÿåò ðåãèñòðèðîâàòü ôàêò îäíîâðåìåííîãî ïîÿâëåíèÿ ñèãíàëà íà ðàçíûõ äåòåêòîðàõ (èëè îòñóòñòâèå òàêîãî ôàêòà). Êîððåëÿöèÿ ñèãíàëîâ íà äåòåêòîðàõ óñòàíàâëèâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ óñòðîéñòâà îáðàáîòêè ñèãíàëîâ (6).

Åñëè ýëåêòðîí – êîðïóñêóëà, âåðîÿòíîñòü îáíàðóæåíèÿ êîòîðîé îïðåäåëåòñÿ âîëíîâîé ôóíêöèåé, òî îäíîâðåìåííîå ïîÿâëåíèå ñèãíàëîâ íà ðàçíûõ äåòåêòîðàõ èñêëþ÷åíî: òî÷å÷íûé ýëåêòðîí íå ìîæåò íàõîäèòüñÿ â äâóõ ìåñòàõ ñðàçó.

Åñëè æå òàêèå êîððåëÿöèè áóäóò íàáëþäàòüñÿ, òî ýòî áóäåò îçíà÷àòü, ÷òî ýëåêòðîí êàê ëîêàëèçîâàííàÿ ÷àñòèöà íå ñóùåñòâóåò, à ýëåêòðîííîå âîëíîâîå ïîëå ÿâëÿåòñÿ ôèçè÷åñêîé ðåàëüíîñòüþ, à íå òîëüêî "ïîëåì âåðîÿòíîñòè îáíàðóæåíèÿ ýëåêòðîíà".

Ðàçóìååòñÿ, âî âòîðîì ñëó÷àå ïîÿâÿòñÿ íîâûå òåîðåòè÷åñêèå ïðîáëåìû: ïðåæäå âñåãî íåîáõîäèìî áóäåò îáúÿñíèòü, êàêîé ñìûñë èìåþò äëÿ âîëíîâîãî ïîëÿ òàêèå âåëè÷èíû, êàê ìàññà ïîêîÿ è ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä.  ñëó÷àå ñïðàâåäëèâîñòè êîðïóñêóëÿðíîé ãèïîòåçû ýòè âîïðîñû íå âîçíèêàþò.

Îäíàêî íèêàêèå ïðåäâàðèòåëüíûå òåîðåòè÷åñêèå ñîîáðàæåíèÿ íå äîëæíû ïðåïÿòñòâîâàòü ïîñòàíîâêå äàííîãî ýêñïåðèìåíòà, ïðèíöèïèàëüíîå çíà÷åíèå êîòîðîãî íå âûçûâàåò ñîìíåíèé.



1. Ë.Áèáåðìàí, Í.Ñóøêèí, Â.Ôàáðèêàíò.
Óñïåõè Ôèçè÷åñêèõ Íàóê. 1949. Àâãóñò. Ò. XXXVIII, âûï.4.
Äèôôðàêöèÿ îäèíî÷íûõ ïîî÷åðåäíî ëåòÿùèõ ýëåêòðîíîâ.
http://ufn.ru/ufn49/ufn49_8/Russian/r498e.pdf



ÄÎÁÀÂËÅÍÈÅ.
  Àíàëîãè÷íûé ýêñïåðèìåíò ìîæíî îñóùåñòâèòü ñ ïðîòîíàìè, èîíàìè è òåïëîâûìè íåéòðîíàìè. Ïîñêîëüêó êîðïóñêóëÿðíàÿ ïðèðîäà ýòèõ ÷àñòèö íå âûçûâàåò ñîìíåíèé, òî â ýòîì ñëó÷àå îæèäàåìûé ýôôåêò - ïîëíîå îòñóòñòâèå êîððåëÿöèé ìåæäó ñðàáàòûâàíèÿìè äåòåêòîðîâ.
Ýòî ïîçâîëÿåò âíåñòè â ñõåìó ýêñïåðèìåíòà ñóùåñòâåííîå óïðîùåíèå, ïîñêîëüêó ýëåìåíò 2 ïåðåñòàåò áûòü íåîáõîäèìûì.