Leta 1924 je mladi francoski teoretični fizik Louis de Broglie uvedel koncept valovanja snovi v znanstveni obtok. Ta drzna teoretična predpostavka je razširila lastnost dualnosti valov in delcev (dvojnosti) na vse manifestacije snovi – ne le na sevanje, ampak tudi na vse delce snovi. In čeprav sodobna kvantna teorija razume "val materije" drugače kot avtor hipoteze, ta fizični pojav, povezan z materialnimi delci, nosi njegovo ime - de Brogliejev val.
Zgodovina rojstva koncepta
Poluklasični model atoma, ki ga je predlagal N. Bohr leta 1913, je temeljil na dveh postulatih:
- Kotni moment (moment) elektrona v atomu ne more biti nič. Vedno je sorazmerna z nh/2π, kjer je n katero koli celo število, ki se začne od 1, h pa Planckova konstanta, katere prisotnost v formuli jasno kaže, da je kotni moment delcakvantiziran Posledično obstaja niz dovoljenih orbit v atomu, po katerih se lahko premika samo elektron in, če ostane na njih, ne seva, torej ne izgublja energije.
- Emisija ali absorpcija energije s strani atomskega elektrona se pojavi med prehodom iz ene orbite v drugo, njena količina pa je enaka razliki energij, ki ustrezajo tem orbitam. Ker med dovoljenimi orbiti ni vmesnih stanj, je sevanje tudi strogo kvantizirano. Njegova frekvenca je (E1 – E2)/h, to neposredno izhaja iz Planckove formule za energijo E=hν.
Torej je Bohrov model atoma "prepovedal" elektronu, da bi seval v orbiti in bil med orbitami, vendar je bilo njegovo gibanje obravnavano klasično, kot revolucija planeta okoli Sonca. De Broglie je iskal odgovor na vprašanje, zakaj se elektron obnaša tako, kot se. Ali je mogoče na naraven način razložiti prisotnost dopustnih orbit? Predlagal je, da mora elektron spremljati neko valovanje. Zaradi njegove prisotnosti delec "izbere" samo tiste orbite, na katere se ta val prilega celo število krat. To je bil pomen celoštevilskega koeficienta v formuli, ki jo je postavil Bohr.
Iz hipoteze je sledilo, da de Brogliejev elektronski val ni elektromagneten in da bi morali biti parametri valovanja značilni za vse delce snovi in ne le za elektrone v atomu.
Izračun valovne dolžine, povezane z delcem
Mladi znanstvenik je dobil izjemno zanimivo razmerje, ki omogočadoločite, kakšne so te valovne lastnosti. Kaj je kvantitativni de Brogliejev val? Formula za njegov izračun ima preprosto obliko: λ=h/p. Tukaj je λ valovna dolžina in p je zagon delca. Za nerelativistične delce lahko to razmerje zapišemo kot λ=h/mv, kjer je m masa in v hitrost delca.
Zakaj je ta formula še posebej zanimiva, je razvidno iz vrednosti v njej. De Broglieju je uspelo v enem razmerju združiti korpuskularne in valovne značilnosti snovi - zagon in valovno dolžino. In Planckova konstanta, ki ju povezuje (njena vrednost je približno 6,626 × 10-27 erg∙s ali 6,626 × 10-34 J∙ c) določa lestvica, na kateri se pojavijo valovne lastnosti snovi.
"Valovi snovi" v mikro- in makrosvetu
Torej, večji kot je zagon (masa, hitrost) fizičnega predmeta, krajša je valovna dolžina, povezana z njim. To je razlog, zakaj makroskopska telesa ne kažejo valovne komponente svoje narave. Za ponazoritev bo dovolj določiti de Brogliejevo valovno dolžino za predmete različnih lestvic.
- Zemlja. Masa našega planeta je približno 6 × 1024 kg, orbitalna hitrost glede na Sonce je 3 × 104 m/s. Če te vrednosti nadomestimo v formulo, dobimo (približno): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Vidi se, da je dolžina "zemeljskega vala" izginjajoče majhna vrednost. Za nobeno možnost njegove registracije niti nioddaljene teoretične premise.
- Bakterija, ki tehta približno 10-11 kg, ki se premika s hitrostjo približno 10-4 m/s. Ko smo naredili podoben izračun, lahko ugotovimo, da ima de Brogliejev val enega najmanjših živih bitij dolžino reda 10-19 m - tudi premajhen, da bi ga bilo mogoče zaznati.
- Elektron z maso 9,1 × 10-31 kg. Naj se elektron pospeši s potencialno razliko 1 V na hitrost 106 m/s. Potem bo valovna dolžina elektronskega vala približno 7 × 10-10 m ali 0,7 nanometrov, kar je primerljivo z dolžinami rentgenskih valov in je zelo primerno za registracijo.
Masa elektrona, tako kot drugih delcev, je tako majhna, neopazna, da postane opazna druga stran njihove narave - valovita.
Razporedna stopnja
Razlikujte med koncepti, kot sta fazna in skupinska hitrost valov. Faza (hitrost gibanja površine enakih faz) za de Brogliejeve valove presega hitrost svetlobe. To dejstvo pa ne pomeni protislovja z relativnostno teorijo, saj faza ni eden izmed objektov, preko katerih bi se informacije lahko prenašale, zato načelo vzročnosti v tem primeru ni na noben način kršeno.
Skupinska hitrost je manjša od hitrosti svetlobe, povezana je s gibanjem superpozicije (superpozicije) številnih valov, ki nastanejo zaradi disperzije, in prav ona odraža hitrost elektrona ali katerega koli drugega delec, s katerim je val povezan.
Poskusno odkritje
Velikost de Brogliejeve valovne dolžine je fizikom omogočila izvedbo eksperimentov, ki so potrdili domnevo o valovnih lastnostih snovi. Odgovor na vprašanje, ali so elektronski valovi resnični, bi lahko bil poskus za odkrivanje difrakcije toka teh delcev. Za rentgenske žarke, ki so po valovni dolžini blizu elektronom, običajna difrakcijska rešetka ni primerna - njena doba (to je razdalja med potezami) je prevelika. Atomska vozlišča kristalnih mrež imajo ustrezno velikost obdobja.
Že leta 1927 sta K. Davisson in L. Germer postavila poskus za odkrivanje elektronske difrakcije. Kot odsevno rešetko smo uporabili monokristal niklja, s pomočjo galvanometra pa smo zabeležili intenzivnost sipanja elektronskega žarka pod različnimi koti. Narava sipanja je pokazala jasen difrakcijski vzorec, ki je potrdil de Brogliejevo domnevo. Neodvisno od Davissona in Germerja je J. P. Thomson istega leta eksperimentalno odkril difrakcijo elektronov. Nekoliko kasneje je bil ugotovljen videz difrakcijskega vzorca za protonske, nevtronske in atomske žarke.
Leta 1949 je skupina sovjetskih fizikov pod vodstvom V. Fabrikanta izvedla uspešen poskus z uporabo ne žarka, temveč posameznih elektronov, kar je omogočilo neizpodbitno dokazati, da difrakcija ni noben učinek kolektivnega obnašanja delcev, valovne lastnosti pa pripadajo elektronu kot takemu.
Razvoj idej o "valih snovi"
L. de Broglie je sam val predstavljal kotpravi fizični objekt, ki je neločljivo povezan z delcem in nadzoruje njegovo gibanje, in ga poimenoval "pilot val". Kljub temu, da je delce še naprej obravnaval kot predmete s klasičnimi trajektorijami, ni mogel povedati ničesar o naravi takšnih valov.
Razvijajući ideje de Broglieja, je E. Schrodinger prišel do ideje o popolnoma valovni naravi materije, pravzaprav ignoriral njeno korpuskularno plat. Vsak delec v razumevanju Schrödingerja je nekakšen kompakten valovni paket in nič več. Problem tega pristopa je bil predvsem dobro znan pojav hitrega širjenja takšnih valovnih paketov. Hkrati so delci, kot je elektron, precej stabilni in se ne "mažejo" po prostoru.
Med burnimi razpravami sredi dvajsetih let XX stoletja je kvantna fizika razvila pristop, ki usklajuje korpuskularne in valovne vzorce v opisu materije. Teoretično ga je utemeljil M. Born, njegovo bistvo pa lahko izrazimo z nekaj besedami takole: de Brogliejev val odraža porazdelitev verjetnosti, da se delček najde v določeni točki v nekem trenutku. Zato se imenuje tudi verjetnostni val. Matematično je opisan s Schrödingerjevo valovno funkcijo, katere rešitev omogoča pridobitev velikosti amplitude tega valovanja. Kvadrat modula amplitude določa verjetnost.
Vrednost de Brogliejeve hipoteze o valovih
Izoblikovan je verjetnostni pristop, ki sta ga leta 1927 izboljšala N. Bohr in W. Heisenberg.osnova tako imenovane københavnske interpretacije, ki je postala izjemno produktivna, čeprav je bila njeno sprejetje znanost dana za ceno opustitve vizualno-mehanističnih, figurativnih modelov. Kljub prisotnosti številnih kontroverznih vprašanj, kot je znameniti "problem merjenja", je nadaljnji razvoj kvantne teorije s številnimi aplikacijami povezan s kopenhagensko interpretacijo.
Medtem se je treba spomniti, da je bila ena od temeljev nespornega uspeha sodobne kvantne fizike de Brogliejeva briljantna hipoteza, teoretični vpogled v "materijske valove" pred skoraj stoletjem. Njegovo bistvo kljub spremembam prvotne interpretacije ostaja nesporno: vsa materija ima dvojno naravo, katere različni vidiki, ki se vedno pojavljajo ločeno drug od drugega, so kljub temu tesno povezani.
