Noong 1924, ipinakilala ng batang Pranses na theoretical physicist na si Louis de Broglie ang konsepto ng mga wave wave sa siyentipikong sirkulasyon. Ang matapang na teoretikal na palagay na ito ay nagpalawak ng pag-aari ng wave-particle duality (duality) sa lahat ng mga pagpapakita ng bagay - hindi lamang sa radiation, kundi pati na rin sa anumang mga particle ng bagay. At bagama't ang modernong quantum theory ay nauunawaan ang "wave of matter" na naiiba kaysa sa may-akda ng hypothesis, ang pisikal na phenomenon na ito na nauugnay sa mga materyal na particle ay nagtataglay ng kanyang pangalan - ang de Broglie wave.
Kasaysayan ng pagsilang ng konsepto
Ang semiclassical na modelo ng atom na iminungkahi ni N. Bohr noong 1913 ay batay sa dalawang postulate:
- Ang angular momentum (momentum) ng isang electron sa isang atom ay hindi maaaring maging anuman. Ito ay palaging proporsyonal sa nh/2π, kung saan ang n ay anumang integer na nagsisimula sa 1, at h ang pare-pareho ng Planck, ang pagkakaroon nito sa formula ay malinaw na nagpapahiwatig na ang angular momentum ng particlebinibilang Dahil dito, mayroong isang hanay ng mga pinahihintulutang orbit sa atom, kung saan ang electron lamang ang maaaring gumalaw, at, na nananatili sa kanila, hindi ito nag-radiate, ibig sabihin, hindi nawawalan ng enerhiya.
- Ang paglabas o pagsipsip ng enerhiya ng isang atomic electron ay nangyayari sa panahon ng paglipat mula sa isang orbit patungo sa isa pa, at ang halaga nito ay katumbas ng pagkakaiba sa mga energies na tumutugma sa mga orbit na ito. Dahil walang mga intermediate na estado sa pagitan ng mga pinapayagang orbit, ang radiation ay mahigpit ding sinusukat. Ang dalas nito ay (E1 – E2)/h, ito ay direktang sumusunod mula sa formula ng Planck para sa enerhiya na E=hν.
Kaya, ang modelo ng atom ni Bohr ay "nagbawal" sa electron na mag-radiate sa orbit at maging sa pagitan ng mga orbit, ngunit ang paggalaw nito ay itinuturing na klasikal, tulad ng rebolusyon ng isang planeta sa paligid ng Araw. Si De Broglie ay naghahanap ng sagot sa tanong kung bakit ang electron ay kumikilos sa paraang ginagawa nito. Posible bang ipaliwanag ang pagkakaroon ng mga tinatanggap na orbit sa natural na paraan? Iminungkahi niya na ang elektron ay dapat na sinamahan ng ilang alon. Dahil sa presensya nito, ang particle ay "pumili" lamang sa mga orbit kung saan ang alon na ito ay umaangkop sa isang integer na bilang ng beses. Ito ang kahulugan ng integer coefficient sa formula na ipinostula ni Bohr.
Ito ay sinundan mula sa hypothesis na ang de Broglie electron wave ay hindi electromagnetic, at ang wave parameter ay dapat na katangian ng anumang particle ng matter, at hindi lamang ng mga electron sa atom.
Pagkalkula ng wavelength na nauugnay sa isang particle
Nakakuha ang batang scientist ng lubhang kawili-wiling ratio, na nagbibigay-daantukuyin kung ano ang mga katangian ng alon na ito. Ano ang quantitative de Broglie wave? Ang formula para sa pagkalkula nito ay may simpleng anyo: λ=h/p. Narito ang λ ay ang wavelength at ang p ay ang momentum ng particle. Para sa mga nonrelativistic na particle, ang ratio na ito ay maaaring isulat bilang λ=h/mv, kung saan ang m ay ang masa at v ang bilis ng particle.
Bakit partikular na interes ang formula na ito ay makikita mula sa mga halaga nito. Nagawa ni De Broglie na pagsamahin sa isang ratio ang corpuscular at wave na katangian ng matter - momentum at wavelength. At ang Planck constant na nagkokonekta sa kanila (ang halaga nito ay humigit-kumulang 6.626 × 10-27 erg∙s o 6.626 × 10-34 J∙ c) set ang sukat kung saan lumilitaw ang mga katangian ng wave ng matter.
"Mga alon ng materya" sa micro- at macroworld
Kaya, mas malaki ang momentum (mass, speed) ng isang pisikal na bagay, mas maikli ang wavelength na nauugnay dito. Ito ang dahilan kung bakit ang mga macroscopic na katawan ay hindi nagpapakita ng bahagi ng alon ng kanilang kalikasan. Bilang isang paglalarawan, sapat na upang matukoy ang wavelength ng de Broglie para sa mga bagay na may iba't ibang kaliskis.
- Earth. Ang masa ng ating planeta ay humigit-kumulang 6 × 1024 kg, ang bilis ng orbital na nauugnay sa Araw ay 3 × 104 m/s. Ang pagpapalit ng mga value na ito sa formula, makakakuha tayo ng (humigit-kumulang): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3.6 × 10-63 m. Makikita na ang haba ng "earth wave" ay isang napakaliit na halaga. Sa anumang posibilidad ng pagpaparehistro nito ay walang kahit namalayong teoretikal na lugar.
- Isang bacterium na tumitimbang ng humigit-kumulang 10-11 kg, na gumagalaw sa bilis na humigit-kumulang 10-4 m/s. Sa paggawa ng katulad na kalkulasyon, malalaman na ang alon ng de Broglie ng isa sa pinakamaliit na nilalang ay may haba na 10-19 m - masyadong maliit din para matukoy..
- Isang electron na may mass na 9.1 × 10-31 kg. Hayaang mapabilis ang isang electron ng potensyal na pagkakaiba ng 1 V hanggang sa bilis na 106 m/s. Pagkatapos, ang wavelength ng electron wave ay magiging humigit-kumulang 7 × 10-10 m, o 0.7 nanometer, na maihahambing sa mga haba ng X-ray waves at medyo katanggap-tanggap sa pagpaparehistro.
Ang masa ng isang electron, tulad ng ibang mga particle, ay napakaliit, hindi mahahalata, na ang kabilang panig ng kanilang kalikasan ay nagiging kapansin-pansin - parang alon.
Rate ng spread
Pagkaiba sa pagitan ng mga konsepto tulad ng phase at group velocity ng waves. Phase (ang bilis ng paggalaw ng ibabaw ng magkatulad na mga yugto) para sa mga alon ng de Broglie ay lumampas sa bilis ng liwanag. Ang katotohanang ito, gayunpaman, ay hindi nangangahulugang isang kontradiksyon sa teorya ng relativity, dahil ang yugto ay hindi isa sa mga bagay kung saan maaaring maipadala ang impormasyon, kaya ang prinsipyo ng sanhi sa kasong ito ay hindi nilalabag sa anumang paraan.
Ang bilis ng pangkat ay mas mababa kaysa sa bilis ng liwanag, ito ay nauugnay sa paggalaw ng isang superposisyon (superposisyon) ng maraming mga alon na nabuo dahil sa pagpapakalat, at siya ang sumasalamin sa bilis ng isang electron o anumang iba pa. particle kung saan nauugnay ang alon.
Pang-eksperimentong pagtuklas
Ang magnitude ng wavelength ng de Broglie ay nagbigay-daan sa mga physicist na magsagawa ng mga eksperimento na nagpapatunay sa palagay tungkol sa mga katangian ng wave ng matter. Ang sagot sa tanong kung totoo ang mga electron wave ay maaaring isang eksperimento upang makita ang diffraction ng isang stream ng mga particle na ito. Para sa mga X-ray na malapit sa wavelength sa mga electron, ang karaniwang diffraction grating ay hindi angkop - ang panahon nito (iyon ay, ang distansya sa pagitan ng mga stroke) ay masyadong malaki. Ang mga atomic node ng mga crystal lattice ay may angkop na laki ng period.
Na noong 1927, nag-set up sina K. Davisson at L. Germer ng isang eksperimento upang makita ang electron diffraction. Isang nickel single crystal ang ginamit bilang reflective grating, at ang intensity ng electron beam scattering sa iba't ibang anggulo ay naitala gamit ang galvanometer. Ang likas na katangian ng scattering ay nagsiwalat ng isang malinaw na pattern ng diffraction, na nagkumpirma sa palagay ni de Broglie. Independyente nina Davisson at Germer, eksperimentong natuklasan ni J. P. Thomson ang electron diffraction sa parehong taon. Maya-maya, ang hitsura ng pattern ng diffraction ay naitatag para sa proton, neutron, at atomic beam.
Noong 1949, ang isang pangkat ng mga physicist ng Sobyet na pinamumunuan ni V. Fabrikant ay nagsagawa ng isang matagumpay na eksperimento gamit ang hindi isang sinag, ngunit ang mga indibidwal na electron, na naging posible upang hindi maitatanggi na patunayan na ang diffraction ay hindi anumang epekto ng sama-samang pag-uugali ng mga particle, at ang mga katangian ng wave ay nabibilang sa electron tulad nito.
Pagbuo ng mga ideya tungkol sa "mga alon ng bagay"
L. de Broglie mismo ang naisip ang alon bilangisang tunay na pisikal na bagay, inextricably na nauugnay sa isang particle at kinokontrol ang paggalaw nito, at tinawag itong "pilot wave". Gayunpaman, habang patuloy na isinasaalang-alang ang mga particle bilang mga bagay na may mga klasikal na trajectory, wala siyang masabi tungkol sa katangian ng naturang mga alon.
Pagbuo ng mga ideya ni de Broglie, si E. Schrodinger ay dumating sa ideya ng isang ganap na wave na kalikasan ng bagay, sa katunayan, hindi pinapansin ang corpuscular side nito. Anumang particle sa pag-unawa sa Schrödinger ay isang uri ng compact wave packet at wala nang iba pa. Ang problema ng diskarteng ito ay, sa partikular, ang kilalang phenomenon ng mabilis na pagkalat ng naturang mga wave packet. Kasabay nito, ang mga particle, tulad ng isang electron, ay medyo stable at hindi "nagpapahid" sa kalawakan.
Sa panahon ng maiinit na mga talakayan noong kalagitnaan ng 20s ng XX century, ang quantum physics ay nakabuo ng isang diskarte na pinagkakasundo ang corpuscular at wave pattern sa paglalarawan ng bagay. Theoretically, ito ay pinatunayan ni M. Born, at ang kakanyahan nito ay maaaring ipahayag sa ilang mga salita tulad ng sumusunod: ang de Broglie wave ay sumasalamin sa pamamahagi ng posibilidad na makahanap ng isang particle sa isang tiyak na punto sa isang punto ng oras. Samakatuwid, ito ay tinatawag ding probability wave. Sa matematika, ito ay inilalarawan ng Schrödinger wave function, ang solusyon na ginagawang posible upang makuha ang magnitude ng amplitude ng wave na ito. Tinutukoy ng parisukat ng modulus ng amplitude ang posibilidad.
Ang halaga ng wave hypothesis ni de Broglie
Ang probabilistic approach, na pinahusay nina N. Bohr at W. Heisenberg noong 1927, ay nabuoang batayan ng tinatawag na interpretasyon ng Copenhagen, na naging lubhang produktibo, bagama't ang pag-aampon nito ay ibinigay sa agham sa halaga ng pag-abandona sa visual-mechanistic, figurative na mga modelo. Sa kabila ng pagkakaroon ng ilang kontrobersyal na isyu, tulad ng sikat na "problema ng pagsukat", ang karagdagang pag-unlad ng quantum theory kasama ang maraming aplikasyon nito ay nauugnay sa interpretasyon ng Copenhagen.
Samantala, dapat tandaan na ang isa sa mga pundasyon ng hindi mapag-aalinlanganang tagumpay ng modernong quantum physics ay ang napakatalino na hypothesis ni de Broglie, isang teoretikal na pananaw tungkol sa "matter waves" halos isang siglo na ang nakalipas. Ang kakanyahan nito, sa kabila ng mga pagbabago sa orihinal na interpretasyon, ay nananatiling hindi maikakaila: ang lahat ng bagay ay may dalawahang katangian, ang iba't ibang aspeto nito, na palaging lumilitaw nang hiwalay sa isa't isa, gayunpaman ay malapit na magkakaugnay.
