1924-ben a fiatal francia elméleti fizikus, Louis de Broglie bevezette a tudományos körforgásba az anyaghullámok fogalmát. Ez a merész elméleti feltevés kiterjesztette a hullám-részecske kettősség (kettősség) tulajdonságát az anyag minden megnyilvánulására - nemcsak a sugárzásra, hanem az anyag bármely részecskéjére is. És bár a modern kvantumelmélet másként értelmezi az „anyaghullámot”, mint a hipotézis szerzője, ez az anyagi részecskékkel kapcsolatos fizikai jelenség az ő nevét viseli - de Broglie hullám.
A koncepció születésének története
N. Bohr által 1913-ban javasolt félklasszikus atommodell két posztulátumon alapult:
- Az atomban lévő elektron szögimpulzusa (impulzusa) nem lehet semmi. Mindig arányos nh/2π-vel, ahol n tetszőleges 1-től kezdődő egész szám, h pedig Planck-állandó, aminek jelenléte a képletben egyértelműen jelzi, hogy a részecske szögimpulzusakvantált Következésképpen az atomban van egy sor megengedett pálya, amelyen csak az elektron tud mozogni, és ezeken maradva nem sugárzik ki, azaz nem veszít energiát.
- Az atomi elektronok energiakibocsátása vagy elnyelése az egyik pályáról a másikra való átmenet során történik, és mértéke megegyezik az ezen pályáknak megfelelő energiák különbségével. Mivel a megengedett pályák között nincsenek köztes állapotok, a sugárzás is szigorúan kvantált. Frekvenciája (E1 – E2)/h, ez egyenesen következik az E=hν energiára vonatkozó Planck-képletből.
Tehát a Bohr-féle atommodell „megtiltotta” az elektronnak a pályán való kisugárzását és a pályák közötti tartózkodást, de mozgását klasszikusan úgy tekintették, mint egy bolygó Nap körüli forradalmát. De Broglie arra a kérdésre kereste a választ, hogy miért viselkedik az elektron úgy, ahogyan. Meg lehet-e magyarázni a megengedett pályák jelenlétét természetes módon? Azt javasolta, hogy az elektront valamilyen hullámnak kell kísérnie. A jelenléte az, ami miatt a részecske csak azokat a pályákat "választja", amelyekre ez a hullám egész számú alkalommal illeszkedik. Ez volt az egész együttható jelentése a Bohr által feltételezett képletben.
A hipotézisből az következett, hogy a de Broglie elektronhullám nem elektromágneses, és a hullámparamétereknek az anyag bármely részecskéire jellemzőnek kell lenniük, nem csak az atomban lévő elektronokra.
Részecske hullámhosszának kiszámítása
A fiatal tudós rendkívül érdekes arányt kapott, ami lehetővé teszihatározza meg, melyek ezek a hullámtulajdonságok. Mi a kvantitatív de Broglie hullám? Számítási képlete egyszerű: λ=h/p. Itt λ a részecske hullámhossza, p pedig impulzusa. Nem relativisztikus részecskék esetén ez az arány a következőképpen írható fel: λ=h/mv, ahol m a tömeg és v a részecske sebessége.
Miért különösen érdekes ez a képlet, a benne szereplő értékekből kiderül. De Broglie-nak sikerült egy arányban egyesítenie az anyag korpuszkuláris és hullámjellemzőit - a lendületet és a hullámhosszt. És az őket összekötő Planck-konstans (értéke körülbelül 6,626 × 10-27 erg∙s vagy 6,626 × 10-34 J∙ c) halmazok az a skála, amelyen az anyag hullámtulajdonságai megjelennek.
„Az anyag hullámai” a mikro- és makrovilágban
Tehát minél nagyobb egy fizikai objektum lendülete (tömege, sebessége), annál rövidebb a hozzá tartozó hullámhossz. Ez az oka annak, hogy a makroszkopikus testek nem mutatják természetük hullámkomponensét. Szemléltetésképpen elegendő meghatározni a de Broglie hullámhosszt különböző léptékű objektumok esetén.
- Föld. Bolygónk tömege körülbelül 6 × 1024 kg, a Naphoz viszonyított keringési sebessége 3 × 104 m/s. Ha ezeket az értékeket behelyettesítjük a képletbe, a következőt kapjuk (körülbelül): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Látható, hogy a "földhullám" hossza eltűnően kicsi.. Nincs lehetőség a bejegyzéséretávoli elméleti premisszák.
- Körülbelül 10-11 kg súlyú baktérium, amely körülbelül 10-4 m/s sebességgel mozog. Hasonló számítások elvégzése után kiderül, hogy az egyik legkisebb élőlény de Broglie-hullámának hossza 10-19 m nagyságrendű, ami szintén túl kicsi ahhoz, hogy kimutatható legyen..
- Egy elektron, amelynek tömege 9,1 × 10-31 kg. Legyen egy elektron 1 V potenciálkülönbséggel 106 m/s sebességre gyorsulva. Ekkor az elektronhullám hullámhossza megközelítőleg 7 × 10-10 m, vagyis 0,7 nanométer lesz, ami a röntgenhullámok hosszához hasonlítható, és meglehetősen regisztrálható.
Az elektron tömege, akárcsak más részecskék, olyan kicsi, észrevehetetlen, hogy természetük másik oldala is észrevehetővé válik – hullámszerűvé.
Spread rate
Tegyen különbséget az olyan fogalmak között, mint a hullámok fázis- és csoportsebessége. A fázis (az azonos fázisok felületének mozgási sebessége) a de Broglie-hullámok esetében meghaladja a fénysebességet. Ez a tény azonban nem jelent ellentmondást a relativitáselmélettel, mivel a fázis nem tartozik azon objektumok közé, amelyeken keresztül információ továbbítható, így az ok-okozati összefüggés elve ebben az esetben semmilyen módon nem sérül.
A csoportsebesség kisebb, mint a fénysebesség, a diszperzió következtében kialakuló sok hullám szuperpozíciójának (szuperpozíciójának) mozgásához kapcsolódik, és ez az, aki tükrözi egy elektron vagy bármely más hullám sebességét. részecske, amelyhez a hullám kapcsolódik.
Kísérleti felfedezés
A de Broglie-hullámhossz nagysága lehetővé tette a fizikusok számára, hogy olyan kísérleteket végezzenek, amelyek megerősítik az anyag hullámtulajdonságaira vonatkozó feltételezést. A válasz arra a kérdésre, hogy az elektronhullámok valódiak-e, egy kísérlet lehetne ezen részecskék áramlásának diffrakciójának kimutatására. Az elektronokhoz közeli hullámhosszú röntgensugárzáshoz a szokásos diffrakciós rács nem alkalmas - a periódusa (vagyis a löketek közötti távolság) túl nagy. A kristályrácsok atomi csomópontjai megfelelő periódusmérettel rendelkeznek.
K. Davisson és L. Germer már 1927-ben kísérletet indított az elektrondiffrakció kimutatására. Reflexiós rácsként nikkel egykristályt használtak, galvanométerrel rögzítették az elektronsugár különböző szögekben történő szórásának intenzitását. A szórás természete világos diffrakciós mintázatot tárt fel, ami megerősítette de Broglie feltételezését. Davissontól és Germertől függetlenül J. P. Thomson ugyanabban az évben kísérletileg felfedezte az elektrondiffrakciót. Valamivel később a diffrakciós mintázat megjelenését proton-, neutron- és atomnyalábokra is megállapították.
1949-ben a szovjet fizikusok egy csoportja V. Fabrikant vezetésével sikeres kísérletet végzett nem nyaláb, hanem egyedi elektronok felhasználásával, amely lehetővé tette annak cáfolhatatlan bizonyítását, hogy a diffrakció nem a részecskék kollektív viselkedésének következménye., és a hullámtulajdonságok az elektronhoz mint olyanhoz tartoznak.
Az „anyaghullámokkal” kapcsolatos ötletek fejlesztése
L. de Broglie maga képzelte el a hullámotegy valós fizikai objektum, amely elválaszthatatlanul kapcsolódik egy részecskéhez és irányítja annak mozgását, és "pilothullámnak" nevezték. Miközben azonban továbbra is a részecskéket klasszikus pályával rendelkező objektumoknak tekintette, nem tudott semmit mondani az ilyen hullámok természetéről.
De Broglie gondolatait továbbfejlesztve E. Schrodinger az anyag teljesen hullámtermészetének gondolatához jutott, valójában figyelmen kívül hagyva annak korpuszkuláris oldalát. Schrödinger felfogásában bármely részecske egyfajta kompakt hullámcsomag, és semmi több. Ennek a megközelítésnek a problémája különösen az ilyen hullámcsomagok gyors terjedésének jól ismert jelensége volt. Ugyanakkor a részecskék, például az elektronok, meglehetősen stabilak, és nem „kenődnek el” a térben.
A XX. század 20-as éveinek közepén zajló heves viták során a kvantumfizika olyan megközelítést dolgozott ki, amely összeegyezteti a korpuszkuláris és a hullámmintázatot az anyag leírásában. Elméletileg M. Born támasztotta alá, és a lényege néhány szóban a következőképpen fejezhető ki: a de Broglie-hullám annak a valószínűségének eloszlását tükrözi, hogy egy adott időpontban egy adott időpontban egy részecskét találunk. Ezért ezt valószínűségi hullámnak is nevezik. Matematikailag a Schrödinger hullámfüggvény írja le, melynek megoldása lehetővé teszi ennek a hullámnak az amplitúdójának nagyságát. Az amplitúdó modulusának négyzete határozza meg a valószínűséget.
De Broglie hullámhipotézisének értéke
A valószínűségi megközelítés, amelyet N. Bohr és W. Heisenberg 1927-ben továbbfejlesztettaz úgynevezett koppenhágai értelmezés alapja, amely rendkívül termékeny lett, bár átvételét a tudomány a vizuális-mechanikus, figuratív modellek elhagyása árán adta át. Számos vitatott kérdés jelenléte ellenére, mint például a híres "mérési probléma", a kvantumelmélet további fejlesztése számos alkalmazási lehetőséggel a koppenhágai interpretációhoz kapcsolódik.
Eközben nem szabad megfeledkezni arról, hogy a modern kvantumfizika vitathatatlan sikerének egyik alapja de Broglie briliáns hipotézise volt, amely elméleti betekintést nyújtott az „anyaghullámokra” csaknem egy évszázaddal ezelőtt. Lényege az eredeti értelmezésben bekövetkezett változások ellenére is tagadhatatlan: minden anyag kettős természetű, melynek különböző, egymástól mindig külön-külön megjelenő aspektusai mégis szorosan összefüggenek egymással.
