I 1924 introduserte den unge franske teoretiske fysikeren Louis de Broglie begrepet materiebølger i vitenskapelig sirkulasjon. Denne dristige teoretiske antagelsen utvidet egenskapen til bølge-partikkel-dualitet (dualitet) til alle manifestasjoner av materie - ikke bare til stråling, men også til alle partikler av materie. Og selv om moderne kvanteteori forstår "materiebølgen" annerledes enn forfatteren av hypotesen, bærer dette fysiske fenomenet assosiert med materielle partikler navnet hans - de Broglie-bølgen.
Historien om konseptets fødsel
Den semiklassiske modellen av atomet foreslått av N. Bohr i 1913 var basert på to postulater:
- Vinkelmomentet (momentum) til et elektron i et atom kan ikke være noe. Den er alltid proporsjonal med nh/2π, der n er et hvilket som helst heltall som starter fra 1, og h er Plancks konstant, hvis tilstedeværelse i formelen tydelig indikerer at vinkelmomentet til partikkelenkvantisert Følgelig er det et sett med tillatte baner i atomet, som bare elektronet kan bevege seg langs, og når det blir på dem, stråler det ikke ut, det vil si at det ikke mister energi.
- Emisjon eller absorpsjon av energi fra et atomelektron skjer under overgangen fra en bane til en annen, og mengden er lik forskjellen i energier som tilsvarer disse banene. Siden det ikke er noen mellomtilstander mellom tillatte baner, er strålingen også strengt kvantisert. Frekvensen er (E1 – E2)/t, dette følger direkte av Planck-formelen for energien E=hν.
Så, Bohrs modell av atomet "forbød" elektronet fra å utstråle i bane og være mellom baner, men bevegelsen ble ansett som klassisk, som revolusjonen til en planet rundt solen. De Broglie lette etter et svar på spørsmålet hvorfor elektronet oppfører seg slik det gjør. Er det mulig å forklare tilstedeværelsen av tillatte baner på en naturlig måte? Han foreslo at elektronet måtte være ledsaget av en bølge. Det er dens tilstedeværelse som gjør at partikkelen bare "velger" de banene som denne bølgen passer på et helt antall ganger. Dette var betydningen av heltallskoeffisienten i formelen postulert av Bohr.
Det fulgte av hypotesen at de Broglie-elektronbølgen ikke er elektromagnetisk, og bølgeparametrene skal være karakteristiske for alle partikler av materie, og ikke bare elektroner i atomet.
Beregne bølgelengden assosiert med en partikkel
Den unge forskeren fikk et ekstremt interessant forhold, som tillaterfinne ut hva disse bølgeegenskapene er. Hva er den kvantitative de Broglie-bølgen? Formelen for beregningen har en enkel form: λ=h/p. Her er λ bølgelengden og p er impulsen til partikkelen. For ikke-relativistiske partikler kan dette forholdet skrives som λ=h/mv, der m er massen og v er partikkelens hastighet.
Hvorfor denne formelen er av spesiell interesse kan sees av verdiene i den. De Broglie klarte å kombinere i ett forhold de korpuskulære og bølgeegenskapene til materie - momentum og bølgelengde. Og Planck-konstanten som forbinder dem (verdien er omtrent 6,626 × 10-27 erg∙s eller 6,626 × 10-34 J∙ c) sett skalaen der bølgeegenskapene til materie vises.
"Waves of matter" i mikro- og makroverden
Så, jo større momentum (masse, hastighet) til et fysisk objekt, desto kortere er bølgelengden knyttet til det. Dette er grunnen til at makroskopiske kropper ikke viser bølgekomponenten av deres natur. Som en illustrasjon vil det være tilstrekkelig å bestemme de Broglie-bølgelengden for objekter av forskjellige skalaer.
- Jorden. Massen til planeten vår er omtrent 6 × 1024 kg, banehastigheten i forhold til solen er 3 × 104 m/s. Ved å erstatte disse verdiene i formelen får vi (omtrent): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Man kan se at lengden på "jordbølgen" er en forsvinnende liten verdi. Til enhver mulighet for sin registrering er det ikke engangfjerntliggende teoretiske lokaler.
- En bakterie som veier ca. 10-11 kg, beveger seg med en hastighet på ca. 10-4 m/s. Etter å ha gjort en lignende beregning kan man finne ut at de Broglie-bølgen til en av de minste levende vesenene har en lengde i størrelsesorden 10-19 m - også for liten til å bli oppdaget.
- Et elektron som har en masse på 9,1 × 10-31 kg. La et elektron akselereres med en potensialforskjell på 1 V til en hastighet på 106 m/s. Da vil bølgelengden til elektronbølgen være omtrent 7 × 10-10 m, eller 0,7 nanometer, som er sammenlignbar med lengden på røntgenbølger og ganske mottagelig for registrering.
Massen til et elektron, som andre partikler, er så liten, umerkelig at den andre siden av deres natur blir merkbar - bølgelignende.
Spread rate
Skill mellom begreper som fase og gruppehastighet for bølger. Fase (bevegelseshastigheten til overflaten av identiske faser) for de Broglie-bølger overstiger lysets hastighet. Dette faktum betyr imidlertid ikke en motsetning med relativitetsteorien, siden fasen ikke er et av objektene som informasjon kan overføres gjennom, så kausalitetsprinsippet i dette tilfellet brytes ikke på noen måte.
Gruppehastigheten er mindre enn lysets hastighet, den er assosiert med bevegelsen av en superposisjon (superposisjon) av mange bølger dannet på grunn av spredning, og det er hun som reflekterer hastigheten til et elektron eller andre partikkel som bølgen er assosiert med.
Eksperimentell oppdagelse
Størrelsen på de Broglie-bølgelengden gjorde det mulig for fysikere å utføre eksperimenter som bekreftet antagelsen om materiens bølgeegenskaper. Svaret på spørsmålet om elektronbølger er ekte kan være et eksperiment for å oppdage diffraksjonen til en strøm av disse partiklene. For røntgenstråler nær elektroner i bølgelengde er det vanlige diffraksjonsgitteret ikke egnet - perioden (det vil si avstanden mellom slagene) er for stor. Atomnoder av krystallgitter har en passende periodestørrelse.
Allerede i 1927 satte K. Davisson og L. Germer opp et eksperiment for å oppdage elektrondiffraksjon. En enkeltkrystall av nikkel ble brukt som et reflekterende gitter, og intensiteten av elektronstrålespredning ved forskjellige vinkler ble registrert ved hjelp av et galvanometer. Naturen til spredningen avslørte et klart diffraksjonsmønster, som bekreftet de Broglies antakelse. Uavhengig av Davisson og Germer, oppdaget J. P. Thomson eksperimentelt elektrondiffraksjon samme år. Noe senere ble utseendet til diffraksjonsmønsteret etablert for proton-, nøytron- og atomstråler.
I 1949 gjennomførte en gruppe sovjetiske fysikere ledet av V. Fabrikant et vellykket eksperiment med ikke en stråle, men individuelle elektroner, som gjorde det mulig å ugjendrivelig bevise at diffraksjon ikke er noen effekt av partiklers kollektive oppførsel, og bølgeegenskapene tilhører elektronet som sådan.
Ideutvikling om "materiebølger"
L. de Broglie selv så for seg bølgen somet ekte fysisk objekt, uløselig knyttet til en partikkel og kontrollerer dens bevegelse, og k alte det en "pilotbølge". Men mens han fortsatte å betrakte partikler som objekter med klassiske baner, var han ikke i stand til å si noe om naturen til slike bølger.
E. Schrodinger utviklet ideene til de Broglie og kom til ideen om en fullstendig bølgenatur av materie, og ignorerte faktisk dens korpuskulære side. Enhver partikkel i forståelsen av Schrödinger er en slags kompakt bølgepakke og ingenting mer. Problemet med denne tilnærmingen var spesielt det velkjente fenomenet med rask spredning av slike bølgepakker. Samtidig er partikler, for eksempel et elektron, ganske stabile og "smusser" ikke utover verdensrommet.
Under de heftige diskusjonene på midten av 20-tallet av 1900-tallet utviklet kvantefysikk en tilnærming som forener korpuskulær og bølgemønster i beskrivelsen av materie. Teoretisk sett ble den underbygget av M. Born, og essensen kan uttrykkes med noen få ord som følger: de Broglie-bølgen reflekterer fordelingen av sannsynligheten for å finne en partikkel på et bestemt tidspunkt på et eller annet tidspunkt. Derfor kalles det også sannsynlighetsbølgen. Matematisk beskrives den av Schrödinger-bølgefunksjonen, hvis løsning gjør det mulig å oppnå størrelsen på amplituden til denne bølgen. Kvadraten på modulen til amplituden bestemmer sannsynligheten.
Verdien av de Broglies bølgehypotese
Den sannsynlige tilnærmingen, forbedret av N. Bohr og W. Heisenberg i 1927, dannetgrunnlaget for den såk alte København-tolkningen, som ble ekstremt produktiv, selv om dens adopsjon ble gitt til vitenskapen på bekostning av å forlate visuell-mekanistiske, figurative modeller. Til tross for tilstedeværelsen av en rekke kontroversielle spørsmål, som det berømte "måleproblemet", er videreutviklingen av kvanteteorien med dens tallrike anvendelser assosiert med København-tolkningen.
I mellomtiden bør det huskes at et av grunnlaget for den udiskutable suksessen til moderne kvantefysikk var de Broglies strålende hypotese, en teoretisk innsikt om "materiebølger" for nesten et århundre siden. Dens essens, til tross for endringer i den opprinnelige tolkningen, forblir ubestridelig: all materie har en dobbel natur, hvor de ulike aspektene, som alltid opptrer atskilt fra hverandre, likevel er nært forbundet.
