Pada tahun 1924, ahli fizik teori Perancis muda Louis de Broglie memperkenalkan konsep gelombang jirim ke dalam peredaran saintifik. Andaian teori yang berani ini memperluaskan sifat dualiti (dualiti) gelombang-zarah kepada semua manifestasi jirim - bukan sahaja kepada sinaran, tetapi juga kepada mana-mana zarah jirim. Dan walaupun teori kuantum moden memahami "gelombang jirim" secara berbeza daripada pengarang hipotesis, fenomena fizikal yang dikaitkan dengan zarah bahan ini membawa namanya - gelombang de Broglie.
Sejarah kelahiran konsep
Model semiklasik atom yang dicadangkan oleh N. Bohr pada tahun 1913 adalah berdasarkan dua postulat:
- Momentum sudut (momentum) elektron dalam atom tidak boleh apa-apa. Ia sentiasa berkadar dengan nh/2π, di mana n ialah sebarang integer bermula dari 1, dan h ialah pemalar Planck, yang kehadirannya dalam formula jelas menunjukkan bahawa momentum sudut zarahterkuantisasi Akibatnya, terdapat satu set orbit yang dibenarkan dalam atom, di mana hanya elektron boleh bergerak, dan, kekal di atasnya, ia tidak memancar, iaitu, tidak kehilangan tenaga.
- Pelepasan atau penyerapan tenaga oleh elektron atom berlaku semasa peralihan dari satu orbit ke orbit lain, dan jumlahnya adalah sama dengan perbezaan tenaga yang sepadan dengan orbit ini. Oleh kerana tiada keadaan perantaraan antara orbit yang dibenarkan, sinaran juga dikuantisasi dengan ketat. Kekerapannya ialah (E1 – E2)/j, ini secara langsung mengikut formula Planck untuk tenaga E=hν.
Jadi, model atom Bohr "melarang" elektron daripada memancar di orbit dan berada di antara orbit, tetapi pergerakannya dianggap klasik, seperti revolusi planet mengelilingi Matahari. De Broglie sedang mencari jawapan kepada soalan mengapa elektron berkelakuan seperti itu. Adakah mungkin untuk menerangkan kehadiran orbit yang boleh diterima secara semula jadi? Dia mencadangkan bahawa elektron mesti disertai oleh beberapa gelombang. Kehadirannya yang menjadikan zarah itu "memilih" hanya orbit di mana gelombang ini sesuai dengan bilangan integer beberapa kali. Ini ialah maksud pekali integer dalam formula yang dipostulatkan oleh Bohr.
Ia menyusuli daripada hipotesis bahawa gelombang elektron de Broglie bukan elektromagnet, dan parameter gelombang harus menjadi ciri bagi mana-mana zarah jirim, dan bukan hanya elektron dalam atom.
Mengira panjang gelombang yang dikaitkan dengan zarah
Saintis muda itu mendapat nisbah yang sangat menarik, yang membolehkantentukan apakah sifat gelombang ini. Apakah gelombang de Broglie kuantitatif? Formula untuk pengiraannya mempunyai bentuk mudah: λ=h/p. Di sini λ ialah panjang gelombang dan p ialah momentum zarah. Untuk zarah bukan relativistik, nisbah ini boleh ditulis sebagai λ=h/mv, dengan m ialah jisim dan v ialah halaju zarah.
Mengapa formula ini menarik minat tertentu boleh dilihat daripada nilai-nilai di dalamnya. De Broglie berjaya menggabungkan dalam satu nisbah ciri korpuskular dan gelombang jirim - momentum dan panjang gelombang. Dan pemalar Planck yang menyambungkannya (nilainya lebih kurang 6.626 × 10-27 erg∙s atau 6.626 × 10-34 J∙ c) set skala di mana sifat gelombang jirim muncul.
"Gelombang jirim" dalam dunia mikro dan makro
Jadi, semakin besar momentum (jisim, kelajuan) objek fizikal, semakin pendek panjang gelombang yang dikaitkan dengannya. Inilah sebab mengapa badan makroskopik tidak menunjukkan komponen gelombang sifatnya. Sebagai ilustrasi, sudah memadai untuk menentukan panjang gelombang de Broglie untuk objek pelbagai skala.
- Bumi. Jisim planet kita adalah kira-kira 6 × 1024 kg, kelajuan orbit berbanding Matahari ialah 3 × 104 m/s. Menggantikan nilai ini ke dalam formula, kita dapat (kira-kira): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3.6 × 10-63 m. Dapat dilihat bahawa panjang "gelombang bumi" adalah nilai yang semakin kecil. Untuk sebarang kemungkinan pendaftarannya tidak adapremis teori terpencil.
- Bakteria seberat kira-kira 10-11 kg, bergerak pada kelajuan kira-kira 10-4 m/s. Setelah membuat pengiraan yang sama, seseorang boleh mengetahui bahawa gelombang de Broglie salah satu makhluk hidup terkecil mempunyai panjang tertib 10-19 m - juga terlalu kecil untuk dikesan.
- Elektron yang mempunyai jisim 9.1 × 10-31 kg. Biarkan sebuah elektron dipercepatkan dengan beza keupayaan 1 V hingga kelajuan 106 m/s. Kemudian panjang gelombang gelombang elektron akan menjadi lebih kurang 7 × 10-10 m, atau 0.7 nanometer, yang setanding dengan panjang gelombang sinar-X dan agak sesuai untuk pendaftaran.
Jisim elektron, seperti zarah lain, adalah sangat kecil, tidak dapat dilihat, sehingga bahagian lain sifatnya menjadi ketara - seperti gelombang.
Kadar sebaran
Bezakan antara konsep seperti fasa dan halaju kumpulan gelombang. Fasa (kelajuan pergerakan permukaan fasa yang sama) untuk gelombang de Broglie melebihi kelajuan cahaya. Fakta ini, bagaimanapun, tidak bermakna percanggahan dengan teori relativiti, kerana fasa bukanlah salah satu objek yang melaluinya maklumat boleh dihantar, jadi prinsip kausalitas dalam kes ini tidak dilanggar dalam apa jua cara.
Kelajuan kumpulan kurang daripada kelajuan cahaya, ia dikaitkan dengan pergerakan superposisi (superposisi) banyak gelombang yang terbentuk akibat penyebaran, dan dialah yang mencerminkan kelajuan elektron atau mana-mana yang lain. zarah yang dikaitkan dengan gelombang.
Penemuan eksperimen
Magnitud panjang gelombang de Broglie membenarkan ahli fizik menjalankan eksperimen yang mengesahkan andaian tentang sifat gelombang jirim. Jawapan kepada soalan sama ada gelombang elektron adalah nyata boleh menjadi percubaan untuk mengesan pembelauan aliran zarah ini. Untuk sinar-X yang dekat dengan panjang gelombang kepada elektron, kisi pembelauan biasa tidak sesuai - tempohnya (iaitu jarak antara strok) terlalu besar. Nod atom kekisi kristal mempunyai saiz tempoh yang sesuai.
Sudah pada tahun 1927, K. Davisson dan L. Germer telah menyediakan eksperimen untuk mengesan pembelauan elektron. Hablur tunggal nikel digunakan sebagai parut pemantul, dan keamatan serakan pancaran elektron pada sudut yang berbeza telah direkodkan menggunakan galvanometer. Sifat serakan mendedahkan corak pembelauan yang jelas, yang mengesahkan andaian de Broglie. Secara bebas daripada Davisson dan Germer, J. P. Thomson secara eksperimen menemui pembelauan elektron pada tahun yang sama. Tidak lama kemudian, kemunculan corak difraksi telah ditubuhkan untuk proton, neutron dan rasuk atom.
Pada tahun 1949, sekumpulan ahli fizik Soviet yang diketuai oleh V. Fabrikant menjalankan eksperimen yang berjaya menggunakan bukan rasuk, tetapi elektron individu, yang memungkinkan untuk membuktikan secara tidak dapat dinafikan bahawa pembelauan bukanlah sebarang kesan daripada kelakuan kolektif zarah, dan sifat gelombang adalah milik elektron.
Pembangunan idea tentang "gelombang jirim"
L. de Broglie sendiri membayangkan gelombang ituobjek fizikal sebenar, berkait rapat dengan zarah dan mengawal pergerakannya, dan memanggilnya sebagai "gelombang juruterbang". Walau bagaimanapun, sambil terus menganggap zarah sebagai objek dengan trajektori klasik, dia tidak dapat mengatakan apa-apa tentang sifat gelombang tersebut.
Mengembangkan idea de Broglie, E. Schrodinger mendapat idea tentang sifat gelombang sepenuhnya bagi jirim, sebenarnya, mengabaikan bahagian korpuskularnya. Mana-mana zarah dalam pemahaman Schrödinger adalah sejenis paket gelombang padat dan tidak lebih. Masalah pendekatan ini adalah, khususnya, fenomena yang terkenal tentang penyebaran pantas paket gelombang tersebut. Pada masa yang sama, zarah, seperti elektron, agak stabil dan tidak "berlumur" di angkasa.
Semasa perbincangan hangat pada pertengahan 20-an abad XX, fizik kuantum membangunkan pendekatan yang menyelaraskan corak korpuskular dan gelombang dalam perihalan jirim. Secara teorinya, ia telah dibuktikan oleh M. Born, dan intipatinya boleh dinyatakan dalam beberapa perkataan seperti berikut: gelombang de Broglie mencerminkan taburan kebarangkalian mencari zarah pada titik tertentu pada satu ketika dalam masa. Oleh itu, ia juga dipanggil gelombang kebarangkalian. Secara matematik, ia diterangkan oleh fungsi gelombang Schrödinger, penyelesaian yang memungkinkan untuk mendapatkan magnitud amplitud gelombang ini. Kuasa dua modulus amplitud menentukan kebarangkalian.
Nilai hipotesis gelombang de Broglie
Pendekatan kebarangkalian, diperbaiki oleh N. Bohr dan W. Heisenberg pada tahun 1927, dibentukasas kepada apa yang dipanggil tafsiran Copenhagen, yang menjadi sangat produktif, walaupun penggunaannya diberikan kepada sains dengan kos meninggalkan model visual-mekanistik, kiasan. Walaupun terdapat beberapa isu kontroversi, seperti "masalah pengukuran" yang terkenal, perkembangan selanjutnya teori kuantum dengan pelbagai aplikasinya dikaitkan dengan tafsiran Copenhagen.
Sementara itu, perlu diingat bahawa salah satu asas kejayaan yang tidak dapat dipertikaikan dalam fizik kuantum moden ialah hipotesis cemerlang de Broglie, satu pandangan teori tentang "gelombang jirim" hampir seabad yang lalu. Intipatinya, walaupun terdapat perubahan dalam tafsiran asal, tetap tidak dapat dinafikan: semua jirim mempunyai sifat dwi, pelbagai aspek yang sentiasa muncul secara berasingan antara satu sama lain, namun saling berkait rapat.
