In 1924 het die jong Franse teoretiese fisikus Louis de Broglie die konsep van materiegolwe in wetenskaplike sirkulasie bekendgestel. Hierdie gewaagde teoretiese aanname het die eienskap van golf-deeltjie-dualiteit (dualiteit) uitgebrei na alle manifestasies van materie - nie net na straling nie, maar ook na enige deeltjies van materie. En hoewel moderne kwantumteorie die “golf van materie” anders verstaan as die outeur van die hipotese, dra hierdie fisiese verskynsel wat met materiële deeltjies geassosieer word sy naam – die de Broglie-golf.
Geskiedenis van die geboorte van die konsep
Die semi-klassieke model van die atoom wat deur N. Bohr in 1913 voorgestel is, was gebaseer op twee postulate:
- Die hoekmomentum (momentum) van 'n elektron in 'n atoom kan niks wees nie. Dit is altyd eweredig aan nh/2π, waar n enige heelgetal vanaf 1 is, en h Planck se konstante is, waarvan die teenwoordigheid in die formule duidelik aandui dat die hoekmomentum van die deeltjiegekwantiseer Gevolglik is daar 'n stel toegelate wentelbane in die atoom, waarlangs net die elektron kan beweeg, en as hy daarop bly, straal dit nie uit nie, dit wil sê, verloor nie energie nie.
- Emissie of absorpsie van energie deur 'n atoomelektron vind plaas tydens die oorgang van een wentelbaan na 'n ander, en die hoeveelheid daarvan is gelyk aan die verskil in energieë wat met hierdie wentelbane ooreenstem. Aangesien daar geen tussentoestande tussen toegelate wentelbane is nie, word die straling ook streng gekwantiseer. Sy frekwensie is (E1 – E2)/h, dit volg direk uit die Planck-formule vir die energie E=hν.
Dus, Bohr se model van die atoom het die elektron "verbied" om in 'n wentelbaan uit te straal en tussen wentelbane te wees, maar sy beweging is klassiek beskou, soos die omwenteling van 'n planeet om die Son. De Broglie was op soek na 'n antwoord op die vraag waarom die elektron optree soos hy doen. Is dit moontlik om die teenwoordigheid van toelaatbare bane op 'n natuurlike manier te verduidelik? Hy het voorgestel dat die elektron deur een of ander golf vergesel moet word. Dit is sy teenwoordigheid wat die deeltjie net daardie wentelbane laat "kies" waarop hierdie golf 'n heelgetal kere pas. Dit was die betekenis van die heelgetalkoëffisiënt in die formule wat deur Bohr gepostuleer is.
Dit het gevolg uit die hipotese dat die de Broglie-elektrongolf nie elektromagneties is nie, en die golfparameters moet kenmerkend van enige materiedeeltjies wees, en nie net elektrone in die atoom nie.
Bereken die golflengte wat met 'n deeltjie geassosieer word
Die jong wetenskaplike het 'n uiters interessante verhouding gekry, wat dit toelaatbepaal wat hierdie golf eienskappe is. Wat is die kwantitatiewe de Broglie-golf? Die formule vir sy berekening het 'n eenvoudige vorm: λ=h/p. Hier is λ die golflengte en p is die momentum van die deeltjie. Vir nie-relativistiese deeltjies kan hierdie verhouding geskryf word as λ=h/mv, waar m die massa is en v die deeltjie se snelheid is.
Waarom hierdie formule van besondere belang is, kan gesien word uit die waardes daarin. De Broglie het daarin geslaag om die korpuskulêre en golfkenmerke van materie in een verhouding te kombineer - momentum en golflengte. En die Planck-konstante wat hulle verbind (die waarde daarvan is ongeveer 6.626 × 10-27 erg∙s of 6.626 × 10-34 J∙ c) stelle die skaal waarop die golfeienskappe van materie voorkom.
"Golwe van materie" in die mikro- en makrowêreld
Dus, hoe groter die momentum (massa, spoed) van 'n fisiese voorwerp, hoe korter is die golflengte wat daarmee geassosieer word. Dit is die rede waarom makroskopiese liggame nie die golfkomponent van hul aard toon nie. Ter illustrasie sal dit voldoende wees om die de Broglie-golflengte vir voorwerpe van verskillende skale te bepaal.
- Aarde. Die massa van ons planeet is ongeveer 6 × 1024 kg, die wentelspoed relatief tot die Son is 3 × 104 m/s. Deur hierdie waardes in die formule te vervang, kry ons (ongeveer): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3.6 × 10-63 m. Dit kan gesien word dat die lengte van die "aardgolf" 'n verdwynende klein waarde is. Om enige moontlikheid van sy registrasie is daar nie eensafgeleë teoretiese perseel.
- 'n Bakterie wat ongeveer 10-11 kg weeg, beweeg teen 'n spoed van ongeveer 10-4 m/s. Nadat 'n soortgelyke berekening gemaak is, kan 'n mens uitvind dat die de Broglie-golf van een van die kleinste lewende wesens 'n lengte van die orde van 10-19 m het - ook te klein om opgespoor te word.
- 'n Elektron met 'n massa van 9,1 × 10-31 kg. Laat 'n elektron versnel word met 'n potensiaalverskil van 1 V tot 'n spoed van 106 m/s. Dan sal die golflengte van die elektrongolf ongeveer 7 × 10-10 m wees, of 0.7 nanometer, wat vergelykbaar is met die lengtes van X-straalgolwe en redelik vatbaar is vir registrasie.
Die massa van 'n elektron, soos ander deeltjies, is so klein, onmerkbaar, dat die ander kant van hul aard opvallend word - golfagtig.
Verspreidingskoers
Ontskei tussen konsepte soos fase en groepsnelheid van golwe. Fase (die spoed van beweging van die oppervlak van identiese fases) vir de Broglie-golwe oorskry die spoed van lig. Hierdie feit beteken egter nie 'n teenstrydigheid met die relatiwiteitsteorie nie, aangesien die fase nie een van die objekte is waardeur inligting oorgedra kan word nie, dus word die beginsel van kousaliteit in hierdie geval op geen manier geskend nie.
Die groepspoed is minder as die spoed van lig, dit word geassosieer met die beweging van 'n superposisie (superposisie) van baie golwe wat gevorm word as gevolg van dispersie, en dit is sy wat die spoed van 'n elektron of enige ander deeltjie waarmee die golf geassosieer word.
Eksperimentele ontdekking
Die grootte van die de Broglie-golflengte het fisici toegelaat om eksperimente uit te voer wat die aanname oor die golfeienskappe van materie bevestig. Die antwoord op die vraag of elektrongolwe werklik is, kan 'n eksperiment wees om die diffraksie van 'n stroom van hierdie deeltjies op te spoor. Vir X-strale wat in golflengte naby elektrone is, is die gewone diffraksierooster nie geskik nie - die tydperk (dit wil sê die afstand tussen die beroertes) is te groot. Atoomnodusse van kristalroosters het 'n geskikte periodegrootte.
Reeds in 1927 het K. Davisson en L. Germer 'n eksperiment opgestel om elektrondiffraksie op te spoor. 'n Nikkel-enkelkristal is as 'n reflektiewe rooster gebruik, en die intensiteit van elektronstraalverstrooiing by verskillende hoeke is met 'n galvanometer aangeteken. Die aard van die verstrooiing het 'n duidelike diffraksiepatroon aan die lig gebring, wat de Broglie se aanname bevestig het. Onafhanklik van Davisson en Germer, het J. P. Thomson in dieselfde jaar eksperimenteel elektrondiffraksie ontdek. Ietwat later is die voorkoms van die diffraksiepatroon vir proton-, neutron- en atoomstrale vasgestel.
In 1949 het 'n groep Sowjet-fisici onder leiding van V. Fabrikant 'n suksesvolle eksperiment uitgevoer met behulp van nie 'n bundel nie, maar individuele elektrone, wat dit moontlik gemaak het om onweerlegbaar te bewys dat diffraksie nie enige effek van die kollektiewe gedrag van deeltjies is nie, en die golfeienskappe behoort aan die elektron as sodanig.
Ontwikkeling van idees oor "golwe van materie"
L. de Broglie het self die golf voorgestel as'n werklike fisiese voorwerp, onlosmaaklik verbind met 'n deeltjie en wat sy beweging beheer, en het dit 'n "vlieëniergolf" genoem. Terwyl hy egter voortgegaan het om deeltjies as voorwerpe met klassieke trajekte te beskou, kon hy niks sê oor die aard van sulke golwe nie.
Om die idees van de Broglie te ontwikkel, het E. Schrodinger tot die idee gekom van 'n heeltemal golfaard van materie, in werklikheid, deur die liggaamskant daarvan te ignoreer. Enige deeltjie in die begrip van Schrödinger is 'n soort kompakte golfpakkie en niks meer nie. Die probleem van hierdie benadering was veral die bekende verskynsel van die vinnige verspreiding van sulke golfpakkies. Terselfdertyd is deeltjies, soos 'n elektron, redelik stabiel en "smeer" nie oor die ruimte nie.
Tydens die hewige besprekings van die middel-20's van die XX eeu het kwantumfisika 'n benadering ontwikkel wat die korpuskulêre en golfpatrone in die beskrywing van materie versoen. Teoreties is dit gestaaf deur M. Born, en die essensie daarvan kan soos volg in 'n paar woorde uitgedruk word: die de Broglie-golf weerspieël die verspreiding van die waarskynlikheid om 'n deeltjie op 'n sekere punt op 'n sekere tydstip te vind. Daarom word dit ook die waarskynlikheidsgolf genoem. Wiskundig word dit beskryf deur die Schrödinger-golffunksie, waarvan die oplossing dit moontlik maak om die grootte van die amplitude van hierdie golf te verkry. Die kwadraat van die modulus van die amplitude bepaal die waarskynlikheid.
Die waarde van de Broglie se golfhipotese
Die waarskynlikheidsbenadering, verbeter deur N. Bohr en W. Heisenberg in 1927, het gevormdie basis van die sogenaamde Kopenhagen-interpretasie, wat uiters produktief geword het, alhoewel die aanvaarding daarvan aan die wetenskap gegee is ten koste van die verlating van visueel-meganistiese, figuurlike modelle. Ten spyte van die teenwoordigheid van 'n aantal omstrede kwessies, soos die bekende "probleem van meting", word die verdere ontwikkeling van kwantumteorie met sy talle toepassings geassosieer met die Kopenhagen-interpretasie.
Intussen moet onthou word dat een van die grondslae van die onbetwisbare sukses van moderne kwantumfisika de Broglie se briljante hipotese was, 'n teoretiese insig oor "materiegolwe" byna 'n eeu gelede. Die essensie daarvan, ten spyte van veranderinge in die oorspronklike interpretasie, bly onmiskenbaar: alle materie het 'n tweeledige aard, waarvan die verskillende aspekte, wat altyd apart van mekaar voorkom, nietemin ten nouste met mekaar verbind is.
