1924 m. jaunas prancūzų fizikas teorinis Louisas de Broglie į mokslinę apyvartą įtraukė materijos bangų sąvoką. Ši drąsi teorinė prielaida išplėtė bangų-dalelių dvilypumo (dvejingumo) savybę visoms materijos apraiškoms – ne tik spinduliuotei, bet ir bet kurioms materijos dalelėms. Ir nors šiuolaikinė kvantinė teorija „materijos bangą“supranta kitaip nei hipotezės autorius, šis fizikinis reiškinys, susijęs su materialiomis dalelėmis, vadinasi de Broglie banga.
Sąvokos gimimo istorija
1913 m. N. Bohro pasiūlytas pusiau klasikinis atomo modelis buvo pagrįstas dviem postulatais:
- Atome esančio elektrono kampinis impulsas (impulsas) negali būti bet koks. Jis visada yra proporcingas nh/2π, kur n yra bet koks sveikasis skaičius, prasidedantis nuo 1, o h yra Plancko konstanta, kurios buvimas formulėje aiškiai rodo, kad dalelės kampinis impulsaskvantuota Vadinasi, atome yra aibė leidžiamų orbitų, kuriomis gali judėti tik elektronas, o ant jų pasilikęs jis nespinduliuoja, tai yra nepraranda energijos.
- Atominio elektrono energijos emisija arba absorbcija vyksta pereinant iš vienos orbitos į kitą, o jos kiekis yra lygus šias orbitas atitinkančių energijų skirtumui. Kadangi tarp leistinų orbitų nėra tarpinių būsenų, spinduliuotė taip pat griežtai kvantuojama. Jo dažnis yra (E1 – E2)/h, tai tiesiogiai išplaukia iš Plancko formulės energijos E=hν.
Taigi, Bohro atomo modelis „uždraudė“elektronui spinduliuoti orbitoje ir būti tarp orbitų, tačiau jo judėjimas buvo laikomas klasikiniu, kaip planetos apsisukimas aplink Saulę. De Broglie ieškojo atsakymo į klausimą, kodėl elektronas elgiasi taip, kaip elgiasi. Ar įmanoma natūraliai paaiškinti leistinų orbitų buvimą? Jis pasiūlė, kad elektroną turi lydėti tam tikra banga. Būtent jos buvimas verčia dalelę „pasirinkti“tik tas orbitas, kuriose ši banga telpa sveikuoju skaičiumi kartų. Tai buvo sveikojo skaičiaus koeficiento reikšmė formulėje, kurią postulavo Bohr.
Iš hipotezės išplaukė, kad de Broglie elektronų banga nėra elektromagnetinė, o bangos parametrai turėtų būti būdingi bet kurioms medžiagos dalelėms, o ne tik elektronams atome.
Su dalele susieto bangos ilgio apskaičiavimas
Jaunasis mokslininkas gavo nepaprastai įdomų santykį, kuris leidžianustatyti, kokios yra šios bangos savybės. Kas yra kiekybinė de Broglie banga? Jo apskaičiavimo formulė yra paprastos formos: λ=h/p. Čia λ yra bangos ilgis, o p yra dalelės impulsas. Nereliatyvistinėms dalelėms šis santykis gali būti parašytas kaip λ=h/mv, kur m yra masė, o v yra dalelės greitis.
Kodėl ši formulė ypač domina, matyti iš joje pateiktų verčių. De Broglie sugebėjo vienu santykiu sujungti materijos korpuskulines ir bangines charakteristikas – impulsą ir bangos ilgį. Ir juos jungianti Planko konstanta (jos reikšmė yra maždaug 6,626 × 10-27 erg∙s arba 6,626 × 10-34 J∙ c) rinkiniai skalė, kurioje atsiranda materijos banginės savybės.
„Materijos bangos“mikro ir makropasaulyje
Taigi, kuo didesnis fizinio objekto impulsas (masė, greitis), tuo trumpesnis su juo susijęs bangos ilgis. Tai yra priežastis, kodėl makroskopiniai kūnai neparodo savo prigimties bangos komponento. Pavyzdžiui, pakaks nustatyti de Broglie bangos ilgį įvairaus mastelio objektams.
- Žemė. Mūsų planetos masė yra apie 6 × 1024 kg, orbitos greitis Saulės atžvilgiu yra 3 × 104 m/s. Pakeitę šias reikšmes į formulę, gauname (apytiksliai): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Galima pastebėti, kad „žemės bangos“ilgis yra nykstanti maža reikšmė. Nėra jokios galimybės jį įregistruotinutolusios teorinės patalpos.
- Apie 10-11 kg sverianti bakterija, judanti maždaug 10-4 m/s greičiu. Atlikus panašų skaičiavimą, galima sužinoti, kad vienos iš mažiausių gyvų būtybių de Broglie banga yra 10-19 m ilgio – taip pat per maža, kad ją būtų galima aptikti..
- Elektronas, kurio masė 9,1 × 10-31 kg. Tegu elektronas pagreitinamas 1 V potencialų skirtumu iki 106 m/s greičiu. Tada elektronų bangos bangos ilgis bus apytiksliai 7 × 10-10 m arba 0,7 nanometro, kuris yra panašus į rentgeno bangų ilgį ir gana tinkamas registracijai.
Elektrono, kaip ir kitų dalelių, masė yra tokia maža, nepastebima, kad pastebima kita jų prigimties pusė – banguota.
Paskirstymo kursas
Atskirkite tokias sąvokas kaip fazinis ir grupės bangų greitis. Fazė (identiškų fazių paviršiaus judėjimo greitis) de Broglie bangoms viršija šviesos greitį. Tačiau šis faktas nereiškia prieštaravimo reliatyvumo teorijai, kadangi fazė nėra vienas iš objektų, per kuriuos gali būti perduodama informacija, todėl priežastingumo principas šiuo atveju niekaip nepažeidžiamas.
Grupės greitis mažesnis už šviesos greitį, jis susijęs su daugelio bangų superpozicijos (superpozicijos) judėjimu, susidariusiu dėl dispersijos, ir būtent ji atspindi elektrono ar bet kurio kito greitį. dalelė, su kuria susieta banga.
Eksperimentinis atradimas
De Broglie bangos ilgio dydis leido fizikai atlikti eksperimentus, patvirtinančius prielaidą apie materijos bangines savybes. Atsakymas į klausimą, ar elektronų bangos yra tikros, galėtų būti eksperimentas, leidžiantis nustatyti šių dalelių srauto difrakciją. Rentgeno spinduliams, kurių bangos ilgis artimas elektronams, įprasta difrakcijos gardelė netinka - jos periodas (tai yra atstumas tarp smūgių) yra per didelis. Kristalinių gardelių atominiai mazgai turi tinkamą periodo dydį.
Jau 1927 m. K. Davissonas ir L. Germeris atliko eksperimentą elektronų difrakcijai nustatyti. Nikelio monokristalas buvo naudojamas kaip atspindinti grotelė, o elektronų pluošto sklaidos intensyvumas įvairiais kampais buvo užfiksuotas naudojant galvanometrą. Sklaidos pobūdis atskleidė aiškų difrakcijos modelį, kuris patvirtino de Broglie prielaidą. Nepriklausomai nuo Davissono ir Germerio, J. P. Thomson tais pačiais metais eksperimentiškai atrado elektronų difrakciją. Šiek tiek vėliau buvo nustatytas protonų, neutronų ir atomų pluoštų difrakcijos modelis.
1949 metais V. Fabrikanto vadovaujama sovietų fizikų grupė atliko sėkmingą eksperimentą, naudodama ne pluoštą, o atskirus elektronus, ir tai leido neginčijamai įrodyti, kad difrakcija nėra bet koks kolektyvinio dalelių elgesio poveikis., o bangos savybės priklauso pačiam elektronui.
Idėjų apie „materijos bangas“plėtra
L. de Broglie pats įsivaizdavo bangą kaiptikras fizinis objektas, neatsiejamai susijęs su dalele ir kontroliuojantis jos judėjimą, ir vadinamas „pilotine banga“. Tačiau, nors ir toliau daleles laikė objektais su klasikinėmis trajektorijomis, jis nieko negalėjo pasakyti apie tokių bangų prigimtį.
Plėtodamas de Broglie idėjas, E. Schrodingeris priėjo prie visiškai banginės materijos prigimties idėjos, iš tikrųjų ignoruodamas jos korpuskulinę pusę. Bet kuri dalelė Schrödingerio supratimu yra tam tikras kompaktiškas bangų paketas ir nieko daugiau. Šio metodo problema visų pirma buvo gerai žinomas greito tokių bangų paketų plitimo reiškinys. Tuo pačiu metu dalelės, pavyzdžiui, elektronas, yra gana stabilios ir „neištepa“erdvėje.
XX amžiaus XX amžiaus vidurio karštų diskusijų metu kvantinė fizika sukūrė metodą, kuris suderina korpuskuliarinius ir bangų modelius aprašant materiją. Teoriškai ją pagrindė M. Bornas, o jos esmę keliais žodžiais galima išreikšti taip: de Broglie banga atspindi tikimybės rasti dalelę tam tikru momentu tam tikru momentu pasiskirstymą. Todėl ji dar vadinama tikimybių banga. Matematiškai jis apibūdinamas Šriodingerio bangos funkcija, kurios sprendimas leidžia gauti šios bangos amplitudės dydį. Amplitudės modulio kvadratas nustato tikimybę.
De Broglie bangos hipotezės vertė
Tikimybinis metodas, kurį 1927 m. patobulino N. Bohr ir W. Heisenbergvadinamosios Kopenhagos interpretacijos, kuri tapo itin produktyvi, pagrindu, nors jos perėmimas mokslui buvo atiduotas vaizdinių-mechanistinių, vaizdinių modelių atsisakymo kaina. Nepaisant daugybės prieštaringų klausimų, tokių kaip garsioji „matavimo problema“, tolesnis kvantinės teorijos plėtojimas su daugybe jos pritaikymų siejamas su Kopenhagos interpretacija.
Tuo tarpu reikia atsiminti, kad vienas iš neginčijamos šiuolaikinės kvantinės fizikos sėkmės pamatų buvo puiki de Broglie hipotezė – teorinė įžvalga apie „materijos bangas“beveik prieš šimtmetį. Jos esmė, nepaisant pirminio aiškinimo pokyčių, išlieka nenuginčijama: visa materija turi dvejopą prigimtį, kurios įvairūs aspektai, visada pasirodantys atskirai vienas nuo kito, vis dėlto yra glaudžiai tarpusavyje susiję.
