I 1924 introducerede den unge franske teoretiske fysiker Louis de Broglie begrebet stofbølger i den videnskabelige cirkulation. Denne dristige teoretiske antagelse udvidede egenskaben af bølge-partikel dualitet (dualitet) til alle manifestationer af stof - ikke kun til stråling, men også til alle partikler af stof. Og selvom moderne kvanteteori forstår "stofbølgen" anderledes end hypotesens forfatter, bærer dette fysiske fænomen forbundet med materielle partikler hans navn - de Broglie-bølgen.
Historien om konceptets fødsel
Den semiklassiske model af atomet foreslået af N. Bohr i 1913 var baseret på to postulater:
- Vinkelmomentet (momentum) af en elektron i et atom kan ikke være noget. Den er altid proportional med nh/2π, hvor n er et hvilket som helst heltal startende fra 1, og h er Plancks konstant, hvis tilstedeværelse i formlen tydeligt indikerer, at partiklens vinkelmomentumkvantificeret Følgelig er der et sæt tilladte baner i atomet, langs hvilke kun elektronen kan bevæge sig, og ved at blive på dem udstråler den ikke, dvs. mister ikke energi.
- Emission eller absorption af energi fra en atomelektron sker under overgangen fra en bane til en anden, og dens mængde er lig med forskellen i energier svarende til disse kredsløb. Da der ikke er nogen mellemtilstande mellem tilladte baner, er strålingen også strengt kvantificeret. Dens frekvens er (E1 – E2)/h, dette følger direkte af Planck-formlen for energien E=hν.
Så, Bohrs model af atomet "forbød" elektronen i at udstråle i kredsløb og være mellem kredsløb, men dens bevægelse blev betragtet som klassisk, ligesom en planets revolution omkring Solen. De Broglie ledte efter et svar på spørgsmålet, hvorfor elektronen opfører sig, som den gør. Er det muligt at forklare tilstedeværelsen af tilladte baner på en naturlig måde? Han foreslog, at elektronen måtte være ledsaget af en eller anden bølge. Det er dens tilstedeværelse, der gør, at partiklen kun "vælger" de baner, hvorpå denne bølge passer et helt antal gange. Dette var betydningen af heltalskoefficienten i formlen postuleret af Bohr.
Det fulgte af hypotesen, at de Broglie-elektronbølgen ikke er elektromagnetisk, og bølgeparametrene skulle være karakteristiske for alle stofpartikler og ikke kun elektroner i atomet.
Beregning af bølgelængden forbundet med en partikel
Den unge videnskabsmand fik et ekstremt interessant forhold, som tilladerbestemme hvad disse bølgeegenskaber er. Hvad er den kvantitative de Broglie-bølge? Formlen for dens beregning har en simpel form: λ=h/p. Her er λ bølgelængden og p er partiklens momentum. For ikke-relativistiske partikler kan dette forhold skrives som λ=h/mv, hvor m er massen og v er partiklens hastighed.
Hvorfor denne formel er af særlig interesse, kan ses ud fra værdierne i den. De Broglie formåede i ét forhold at kombinere stoffets korpuskulære og bølgekarakteristika - momentum og bølgelængde. Og Planck-konstanten, der forbinder dem (dens værdi er ca. 6,626 × 10-27 erg∙s eller 6,626 × 10-34 J∙ c) sæt den skala, hvor stoffets bølgeegenskaber optræder.
"Bølger af stof" i mikro- og makroverdenen
Så jo større momentum (masse, hastighed) af et fysisk objekt, jo kortere er bølgelængden forbundet med det. Dette er grunden til, at makroskopiske legemer ikke viser bølgekomponenten af deres natur. Som en illustration vil det være tilstrækkeligt at bestemme de Broglie-bølgelængden for objekter af forskellige skalaer.
- Jorden. Massen af vores planet er omkring 6 × 1024 kg, kredsløbshastigheden i forhold til Solen er 3 × 104 m/s. Ved at indsætte disse værdier i formlen får vi (cirka): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Det kan ses, at længden af "jordbølgen" er en forsvindende lille værdi. Til enhver mulighed for sin registrering er der ikke engangfjerntliggende teoretiske lokaler.
- En bakterie, der vejer omkring 10-11 kg, bevæger sig med en hastighed på omkring 10-4 m/s. Efter at have lavet en lignende beregning kan man finde ud af, at de Broglie-bølgen fra et af de mindste levende væsener har en længde i størrelsesordenen 10-19 m - også for lille til at blive opdaget.
- En elektron med en masse på 9,1 × 10-31 kg. Lad en elektron accelereres med en potentialforskel på 1 V til en hastighed på 106 m/s. Så vil elektronbølgens bølgelængde være ca. 7 × 10-10 m, eller 0,7 nanometer, hvilket er sammenligneligt med længden af røntgenbølger og ganske modtageligt for registrering.
Massen af en elektron er, ligesom andre partikler, så lille, umærkelig, at den anden side af deres natur bliver mærkbar - bølgelignende.
Spread rate
Skelne mellem begreber som fase og gruppehastighed af bølger. Fase (bevægelseshastigheden af overfladen af identiske faser) for de Broglie-bølger overstiger lysets hastighed. Dette faktum betyder dog ikke en modsigelse med relativitetsteorien, da fasen ikke er et af de objekter, hvorigennem information kan overføres, så kausalitetsprincippet i dette tilfælde er ikke overtrådt på nogen måde.
Gruppehastigheden er mindre end lysets hastighed, den er forbundet med bevægelsen af en superposition (superposition) af mange bølger dannet på grund af spredning, og det er hende, der reflekterer hastigheden af en elektron eller enhver anden partikel, som bølgen er forbundet med.
Eksperimentel opdagelse
Størrelsen af de Broglie-bølgelængden gjorde det muligt for fysikere at udføre eksperimenter, der bekræftede antagelsen om stoffets bølgeegenskaber. Svaret på spørgsmålet om, hvorvidt elektronbølger er reelle, kunne være et eksperiment til at detektere diffraktionen af en strøm af disse partikler. For røntgenstråler tæt på elektroner i bølgelængde er det sædvanlige diffraktionsgitter ikke egnet - dets periode (det vil sige afstanden mellem slagene) er for stor. Atomknuder af krystalgitre har en passende periodestørrelse.
Allerede i 1927 oprettede K. Davisson og L. Germer et eksperiment for at detektere elektrondiffraktion. En enkelt krystal i nikkel blev brugt som et reflekterende gitter, og intensiteten af elektronstrålespredning ved forskellige vinkler blev registreret ved hjælp af et galvanometer. Arten af spredningen afslørede et klart diffraktionsmønster, som bekræftede de Broglies antagelse. Uafhængigt af Davisson og Germer opdagede J. P. Thomson eksperimentelt elektrondiffraktion samme år. Noget senere blev udseendet af diffraktionsmønsteret etableret for proton-, neutron- og atomstråler.
I 1949 udførte en gruppe sovjetiske fysikere ledet af V. Fabrikant et vellykket eksperiment, hvor der ikke blev brugt en stråle, men individuelle elektroner, hvilket gjorde det muligt uigendriveligt at bevise, at diffraktion ikke er nogen effekt af partiklernes kollektive adfærd, og bølgeegenskaberne hører til elektronen som sådan.
Idéudvikling om "stofbølger"
L. de Broglie selv forestillede sig bølgen somet ægte fysisk objekt, uløseligt forbundet med en partikel og kontrollerer dens bevægelse, og kaldte det en "pilotbølge". Men mens han fortsatte med at betragte partikler som objekter med klassiske baner, var han ikke i stand til at sige noget om arten af sådanne bølger.
E. Schrodinger udviklede de Broglies ideer og kom til ideen om en fuldstændig bølgende natur af stoffet, og i virkeligheden ignorerede dens korpuskulære side. Enhver partikel i forståelsen af Schrödinger er en slags kompakt bølgepakke og intet mere. Problemet med denne tilgang var især det velkendte fænomen med hurtig spredning af sådanne bølgepakker. Samtidig er partikler, såsom en elektron, ret stabile og "udtværes" ikke ud over rummet.
Under de ophedede diskussioner i midten af 20'erne af det XX århundrede udviklede kvantefysikken en tilgang, der forener korpuskulære og bølgemønstre i beskrivelsen af stof. Teoretisk blev det underbygget af M. Born, og dets essens kan udtrykkes med få ord som følger: de Broglie-bølgen afspejler fordelingen af sandsynligheden for at finde en partikel på et bestemt tidspunkt på et eller andet tidspunkt. Derfor kaldes det også sandsynlighedsbølgen. Matematisk beskrives den af Schrödinger-bølgefunktionen, hvis løsning gør det muligt at opnå størrelsen af denne bølges amplitude. Kvadraten af amplitudens modul bestemmer sandsynligheden.
Værdien af de Broglies bølgehypotese
Den probabilistiske tilgang, forbedret af N. Bohr og W. Heisenberg i 1927, blev dannetgrundlaget for den såkaldte københavnerfortolkning, som blev yderst produktiv, selvom dens vedtagelse blev givet til videnskaben på bekostning af at opgive visuel-mekanistiske, figurative modeller. På trods af tilstedeværelsen af en række kontroversielle spørgsmål, såsom det berømte "måleproblem", er videreudviklingen af kvanteteorien med dens talrige anvendelser forbundet med den københavnske fortolkning.
I mellemtiden skal det huskes, at et af grundlaget for den moderne kvantefysiks uomtvistelige succes var de Broglies geniale hypotese, en teoretisk indsigt om "stofbølger" for næsten et århundrede siden. Dens essens, trods ændringer i den oprindelige fortolkning, forbliver ubestridelig: alt stof har en dobbelt natur, hvis forskellige aspekter, som altid optræder adskilt fra hinanden, ikke desto mindre er tæt forbundne.
