1924. gadā jaunais franču teorētiskais fiziķis Luī de Brogli zinātniskajā apritē ieviesa matērijas viļņu jēdzienu. Šis drosmīgais teorētiskais pieņēmums paplašināja viļņu-daļiņu dualitātes (dualitātes) īpašību uz visām matērijas izpausmēm – ne tikai uz starojumu, bet arī uz visām matērijas daļiņām. Un, lai gan mūsdienu kvantu teorija “matērijas vilni” saprot savādāk nekā hipotēzes autors, šī ar materiālajām daļiņām saistītā fizikālā parādība nes viņa nosaukumu - de Broglie vilnis.
Jēdziena dzimšanas vēsture
Atoma pusklasiskais modelis, ko N. Bors ierosināja 1913. gadā, balstījās uz diviem postulātiem:
- Elektrona leņķiskais impulss (impulss) atomā nevar būt nekas. Tas vienmēr ir proporcionāls nh/2π, kur n ir jebkurš vesels skaitlis, sākot no 1, un h ir Planka konstante, kuras klātbūtne formulā skaidri norāda, ka daļiņas leņķiskais impulsskvantēts Līdz ar to atomā pastāv atļauto orbītu kopa, pa kurām var pārvietoties tikai elektrons, un, uz tām paliekot, tas neizstaro, tas ir, nezaudē enerģiju.
- Atomu elektrona enerģijas emisija vai absorbcija notiek pārejas laikā no vienas orbītas uz otru, un tās apjoms ir vienāds ar enerģiju starpību, kas atbilst šīm orbītām. Tā kā starp atļautajām orbītām nav starpstāvokļu, starojums ir arī stingri kvantēts. Tās frekvence ir (E1 – E2)/h, tas tieši izriet no Planka formulas enerģijas E=hν.
Tātad, Bora atoma modelis "aizliedza" elektronam izstarot orbītā un atrasties starp orbītām, taču tā kustība tika uzskatīta par klasisku, piemēram, planētas apgriezienu ap Sauli. De Broglie meklēja atbildi uz jautājumu, kāpēc elektrons uzvedas tā, kā tas darbojas. Vai ir iespējams dabiskā veidā izskaidrot pieļaujamo orbītu klātbūtni? Viņš ierosināja, ka elektronam jāpavada kāds vilnis. Tā ir tā klātbūtne, kas liek daļiņai "izvēlēties" tikai tās orbītas, uz kurām šis vilnis atbilst veselam skaitam reižu. Tā bija vesela skaitļa koeficienta nozīme Bora postulētajā formulā.
No hipotēzes izrietēja, ka de Broglie elektronu vilnis nav elektromagnētisks, un viļņa parametriem jābūt raksturīgiem jebkurai matērijas daļiņai, nevis tikai elektroniem atomā.
Ar daļiņu saistītā viļņa garuma aprēķināšana
Jaunais zinātnieks ieguva ārkārtīgi interesantu attiecību, kas ļaujnoteikt, kādas ir šīs viļņu īpašības. Kas ir kvantitatīvais de Broglie vilnis? Tās aprēķina formulai ir vienkārša forma: λ=h/p. Šeit λ ir viļņa garums un p ir daļiņas impulss. Nerelatīvistiskām daļiņām šo attiecību var uzrakstīt kā λ=h/mv, kur m ir masa un v ir daļiņas ātrums.
Kāpēc šī formula ir īpaši interesanta, var redzēt no tajā esošajām vērtībām. De Brolijam izdevās vienā proporcijā apvienot matērijas korpuskulārās un viļņu īpašības - impulsu un viļņa garumu. Un Planka konstante, kas tos savieno (tās vērtība ir aptuveni 6,626 × 10-27 erg∙s vai 6,626 × 10-34 J∙ c) komplekti. skala, kurā parādās matērijas viļņu īpašības.
"Matērijas viļņi" mikro- un makropasaulē
Tātad, jo lielāks ir fiziska objekta impulss (masa, ātrums), jo īsāks ir ar to saistītais viļņa garums. Tas ir iemesls, kāpēc makroskopiskie ķermeņi neuzrāda to būtības viļņu komponentu. Ilustrācijai pietiks, lai noteiktu de Broglie viļņa garumu dažāda mēroga objektiem.
- Zeme. Mūsu planētas masa ir aptuveni 6 × 1024 kg, orbītas ātrums attiecībā pret Sauli ir 3 × 104 m/s. Aizvietojot šīs vērtības formulā, mēs iegūstam (aptuveni): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Var redzēt, ka "zemes viļņa" garums ir izzūdoši mazs lielums.. Nav pat nekādas iespējas to reģistrētattālas teorētiskās telpas.
- Baktērija, kas sver aptuveni 10-11 kg, kas pārvietojas ar ātrumu aptuveni 10-4 m/s. Veicot līdzīgu aprēķinu, var noskaidrot, ka vienas no mazākajām dzīvajām būtnēm de Broglie viļņa garums ir 10-19 m - arī pārāk mazs, lai to varētu noteikt..
- Elektrons, kura masa ir 9,1 × 10-31 kg. Ļaujiet elektronu paātrināt ar potenciālu starpību 1 V līdz ātrumam 106 m/s. Tad elektronu viļņa viļņa garums būs aptuveni 7 × 10-10 m jeb 0,7 nanometri, kas ir salīdzināms ar rentgena viļņu garumiem un ir diezgan pieņemams reģistrācijai.
Elektronu, tāpat kā citu daļiņu, masa ir tik maza, nemanāma, ka kļūst pamanāma to būtības otra puse - viļņveidīga.
Izplatības likme
Atšķiriet tādus jēdzienus kā fāzes un viļņu grupas ātrums. Fāze (identisku fāžu virsmas kustības ātrums) de Broglie viļņiem pārsniedz gaismas ātrumu. Tomēr šis fakts nenozīmē pretrunu ar relativitātes teoriju, jo fāze nav viens no objektiem, caur kuriem var tikt pārraidīta informācija, tāpēc cēloņsakarības princips šajā gadījumā netiek pārkāpts nekādā veidā.
Grupas ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu, tas ir saistīts ar daudzu viļņu superpozīcijas (superpozīcijas) kustību, kas veidojas dispersijas dēļ, un tieši viņa atspoguļo elektrona vai jebkura cita ātrumu daļiņa, ar kuru vilnis ir saistīts.
Eksperimentāls atklājums
De Broglie viļņa garuma lielums ļāva fiziķiem veikt eksperimentus, kas apstiprina pieņēmumu par matērijas viļņu īpašībām. Atbilde uz jautājumu, vai elektronu viļņi ir reāli, varētu būt eksperiments, lai noteiktu šo daļiņu plūsmas difrakciju. Rentgena stariem, kuru viļņa garums ir tuvu elektroniem, parastais difrakcijas režģis nav piemērots - tā periods (tas ir, attālums starp sitieniem) ir pārāk liels. Kristāla režģu atomu mezgliem ir piemērots perioda lielums.
Jau 1927. gadā K. Deivisons un L. Germers veica eksperimentu, lai noteiktu elektronu difrakciju. Niķeļa monokristāls tika izmantots kā atstarojošs režģis, un elektronu stara izkliedes intensitāte dažādos leņķos tika reģistrēta, izmantojot galvanometru. Izkliedes raksturs atklāja skaidru difrakcijas modeli, kas apstiprināja de Broglie pieņēmumu. Neatkarīgi no Deivisona un Germera J. P. Tomsons eksperimentāli atklāja elektronu difrakciju tajā pašā gadā. Nedaudz vēlāk tika noteikts difrakcijas modelis protonu, neitronu un atomu stariem.
1949. gadā padomju fiziķu grupa V. Fabrikanta vadībā veica veiksmīgu eksperimentu, izmantojot nevis staru, bet gan atsevišķus elektronus, kas ļāva neapgāžami pierādīt, ka difrakcija nav nekāda daļiņu kolektīvās uzvedības ietekme., un viļņu īpašības pieder elektronam kā tādam.
Ideju attīstība par "matērijas viļņiem"
L. de Broglie pats iztēlojās vilni kāreāls fizisks objekts, kas nesaraujami saistīts ar daļiņu un kontrolē tās kustību, un to sauca par "pilotvilni". Tomēr, turpinot uzskatīt daļiņas par objektiem ar klasiskām trajektorijām, viņš neko nevarēja pateikt par šādu viļņu būtību.
Attīstot de Broglie idejas, E. Šrēdingers nonāca pie idejas par matērijas pilnīgi viļņveida dabu, faktiski ignorējot tās korpuskulāro pusi. Jebkura daļiņa Šrēdingera izpratnē ir sava veida kompakta viļņu pakete un nekas vairāk. Šīs pieejas problēma jo īpaši bija plaši pazīstamā šādu viļņu pakešu straujas izplatīšanās parādība. Tajā pašā laikā daļiņas, piemēram, elektrons, ir diezgan stabilas un “nesmērējas” pa telpu.
XX gadsimta 20. gadu vidus karstajās diskusijās kvantu fizika izstrādāja pieeju, kas matērijas aprakstā saskaņo korpuskulāros un viļņu modeļus. Teorētiski to pamatoja M. Borns, un tā būtību dažos vārdos var izteikt šādi: de Broglie vilnis atspoguļo daļiņas atrašanas varbūtības sadalījumu noteiktā brīdī kādā laika brīdī. Tāpēc to sauc arī par varbūtības vilni. Matemātiski to apraksta Šrēdingera viļņa funkcija, kuras risinājums dod iespēju iegūt šī viļņa amplitūdas lielumu. Amplitūdas moduļa kvadrāts nosaka varbūtību.
De Broglija viļņu hipotēzes vērtība
Izveidojās varbūtības pieeja, ko 1927. gadā uzlaboja N. Bors un V. Heizenbergs.tā saucamās Kopenhāgenas interpretācijas pamats, kas kļuva ārkārtīgi produktīvs, lai gan tās pieņemšana tika nodota zinātnei uz atteikšanās no vizuāli mehāniskiem, figurāliem modeļiem. Neskatoties uz vairāku strīdīgu jautājumu esamību, piemēram, slaveno "mērīšanas problēmu", kvantu teorijas turpmākā attīstība ar tās daudzajiem pielietojumiem ir saistīta ar Kopenhāgenas interpretāciju.
Tikmēr jāatceras, ka viens no mūsdienu kvantu fizikas neapstrīdamo panākumu pamatiem bija de Brolija spožā hipotēze, teorētisks ieskats par "matērijas viļņiem" gandrīz pirms gadsimta. Tās būtība, neskatoties uz izmaiņām sākotnējā interpretācijā, joprojām ir nenoliedzama: visai matērijai ir divējāda daba, kuras dažādie aspekti, kas vienmēr parādās atsevišķi viens no otra, tomēr ir cieši savstarpēji saistīti.
