1924'te genç Fransız teorik fizikçi Louis de Broglie, madde dalgaları kavramını bilimsel dolaşıma soktu. Bu cesur teorik varsayım, dalga-parçacık ikiliği (ikilik) özelliğini maddenin tüm tezahürlerine - sadece radyasyona değil, aynı zamanda maddenin herhangi bir parçacığına da genişletti. Ve modern kuantum teorisi, "maddenin dalgasını" hipotezin yazarından farklı anlıyor olsa da, maddi parçacıklarla ilişkili bu fiziksel fenomen onun adını taşıyor - de Broglie dalgası.
Konseptin doğuşunun tarihi
1913'te N. Bohr tarafından önerilen atomun yarı-klasik modeli iki varsayıma dayanıyordu:
- Bir atomdaki elektronun açısal momentumu (momentumu) hiçbir şey olamaz. Her zaman nh/2π ile orantılıdır, burada n, 1'den başlayan herhangi bir tam sayıdır ve h, Planck sabitidir; formülde varlığı, parçacığın açısal momentumunun açıkça gösterdiğini gösterir.nicelenmiş Sonuç olarak, atomda yalnızca elektronun hareket edebileceği bir dizi izin verilen yörünge vardır ve bunlar üzerinde kalarak yayılmaz, yani enerji kaybetmez.
- Enerjinin bir atom elektronu tarafından emisyonu veya emilmesi, bir yörüngeden diğerine geçiş sırasında meydana gelir ve miktarı, bu yörüngelere karşılık gelen enerjilerdeki farka eşittir. İzin verilen yörüngeler arasında ara durumlar olmadığından, radyasyon da kesin olarak nicelenir. Frekansı (E1 – E2)/h'dir, bu doğrudan E=hν enerjisi için Planck formülünden gelir.
Yani, Bohr'un atom modeli, elektronun yörüngede yayılmasını ve yörüngeler arasında olmasını "yasakladı", ancak hareketi, bir gezegenin Güneş etrafındaki dönüşü gibi klasik olarak kabul edildi. De Broglie, elektronun neden böyle davrandığı sorusuna yanıt arıyordu. Kabul edilebilir yörüngelerin varlığını doğal bir şekilde açıklamak mümkün müdür? Elektrona bir dalga eşlik etmesi gerektiğini öne sürdü. Parçacığın, yalnızca bu dalganın tamsayı sayıda uyduğu yörüngeleri "seçmesini" sağlayan şey onun varlığıdır. Bohr tarafından öne sürülen formüldeki tamsayı katsayısının anlamı buydu.
De Broglie elektron dalgasının elektromanyetik olmadığı ve dalga parametrelerinin sadece atomdaki elektronların değil, maddenin herhangi bir parçacığının özelliği olması gerektiği hipotezinden yola çıktı.
Bir parçacıkla ilişkili dalga boyunu hesaplama
Genç bilim adamı son derece ilginç bir orana sahip.bu dalga özelliklerinin ne olduğunu belirleyin. Kantitatif de Broglie dalgası nedir? Hesaplama formülü basit bir forma sahiptir: λ=h/p. Burada λ dalga boyu ve p parçacığın momentumudur. Göreceli olmayan parçacıklar için bu oran λ=h/mv olarak yazılabilir, burada m kütle ve v parçacığın hızıdır.
Bu formülün neden özellikle ilgi çekici olduğu, içindeki değerlerden görülebilir. De Broglie, maddenin parçacık ve dalga özelliklerini - momentum ve dalga boyunu - tek bir oranda birleştirmeyi başardı. Ve onları birbirine bağlayan Planck sabiti (değeri yaklaşık olarak 6.626 × 10-27 erg∙s veya 6.626 × 10-34 J∙ c'dir) kümeler maddenin dalga özelliklerinin göründüğü ölçek.
Mikro ve makro dünyada "Maddenin dalgaları"
Yani, bir fiziksel nesnenin momentumu (kütlesi, hızı) ne kadar büyükse, onunla ilişkili dalga boyu o kadar kısa olur. Makroskopik cisimlerin doğalarının dalga bileşenini göstermemelerinin nedeni budur. Örnek olarak, çeşitli ölçeklerdeki nesneler için de Broglie dalga boyunu belirlemek yeterli olacaktır.
- Dünya. Gezegenimizin kütlesi yaklaşık 6 × 1024 kg, Güneş'e göre yörünge hızı 3 × 104 m/s'dir. Bu değerleri formülde yerine koyarsak (yaklaşık olarak) elde ederiz: 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. "Dünya dalgasının" uzunluğunun yok denecek kadar küçük bir değer olduğu görülebilir.. Herhangi bir kayıt olasılığına bile yoktur.uzak teorik tesisler.
- Yaklaşık 10-11 kg ağırlığında, yaklaşık 10-4 m/s hızla hareket eden bir bakteri. Benzer bir hesaplama yaptıktan sonra, en küçük canlılardan birinin de Broglie dalgasının 10-19 m mertebesinde bir uzunluğa sahip olduğu ve ayrıca tespit edilemeyecek kadar küçük olduğu bulunabilir..
- 9,1 × 10-31 kg kütleye sahip bir elektron. Bir elektronun 1 V'luk bir potansiyel farkla 106 m/s'lik bir hıza hızlandırılmasına izin verin. O zaman elektron dalgasının dalga boyu yaklaşık 7 × 10-10 m veya 0,7 nanometre olacaktır; bu, X-ışını dalgalarının uzunluklarıyla karşılaştırılabilir ve kayda oldukça uygundur.
Bir elektronun kütlesi, diğer parçacıklar gibi, o kadar küçüktür, algılanamaz ki, doğalarının diğer tarafı fark edilir hale gelir - dalga gibi.
Yayılma oranı
Dalgaların faz ve grup hızı gibi kavramları ayırt edin. De Broglie dalgaları için faz (aynı fazların yüzeyinin hareket hızı) ışık hızını aşıyor. Ancak bu gerçek, görelilik teorisi ile bir çelişki anlamına gelmez, çünkü faz, bilginin iletilebileceği nesnelerden biri değildir, bu nedenle bu durumda nedensellik ilkesi hiçbir şekilde ihlal edilmez.
Grup hızı, ışık hızından daha düşüktür, dağılma nedeniyle oluşan birçok dalganın bir süperpozisyonunun (süperpozisyonunun) hareketi ile ilişkilidir ve bir elektronun veya başka herhangi bir hızı yansıtan odur. dalganın ilişkili olduğu parçacık.
Deneysel keşif
De Broglie dalga boyunun büyüklüğü, fizikçilerin maddenin dalga özellikleriyle ilgili varsayımı doğrulayan deneyler yapmasına izin verdi. Elektron dalgalarının gerçek olup olmadığı sorusunun cevabı, bu parçacıkların bir akımının kırınımını tespit etmek için bir deney olabilir. Elektronlara dalga boyuna yakın X-ışınları için, olağan kırınım ızgarası uygun değildir - periyodu (yani vuruşlar arasındaki mesafe) çok büyüktür. Kristal kafeslerin atomik düğümleri uygun bir periyot boyutuna sahiptir.
Zaten 1927'de K. Davisson ve L. Germer elektron kırınımını tespit etmek için bir deney kurdular. Yansıtıcı ızgara olarak bir nikel tek kristali kullanıldı ve farklı açılarda elektron demeti saçılımının yoğunluğu bir galvanometre kullanılarak kaydedildi. Saçılmanın doğası, de Broglie'nin varsayımını doğrulayan açık bir kırınım modeli ortaya çıkardı. Davisson ve Germer'den bağımsız olarak, J. P. Thomson aynı yıl elektron kırınımını deneysel olarak keşfetti. Biraz sonra, proton, nötron ve atomik ışınlar için kırınım modelinin görünümü belirlendi.
1949'da, V. Fabrikant liderliğindeki bir grup Sovyet fizikçisi, bir ışın değil, tek tek elektronlar kullanarak başarılı bir deney yaptı ve bu, kırınımın parçacıkların toplu davranışının herhangi bir etkisi olmadığını reddedilemez bir şekilde kanıtlamayı mümkün kıldı., ve dalga özellikleri bu şekilde elektrona aittir.
"Maddenin dalgaları" hakkında fikirlerin geliştirilmesi
L. de Broglie dalgayı şu şekilde hayal etti:ayrılmaz bir şekilde bir parçacıkla bağlantılı olan ve hareketini kontrol eden gerçek bir fiziksel nesne ve ona "pilot dalga" adını verdi. Ancak parçacıkları klasik yörüngeli nesneler olarak görmeye devam ederken, bu tür dalgaların doğası hakkında bir şey söyleyemedi.
De Broglie'nin fikirlerini geliştiren E. Schrödinger, maddenin parçacıklı tarafını görmezden gelerek, maddenin tamamen dalgalı bir doğası olduğu fikrine geldi. Schrödinger'in anlayışındaki herhangi bir parçacık, bir tür kompakt dalga paketidir ve başka bir şey değildir. Bu yaklaşımın sorunu, özellikle, bu tür dalga paketlerinin hızla yayılmasıyla ilgili iyi bilinen fenomendi. Aynı zamanda, elektron gibi parçacıklar oldukça kararlıdır ve uzaya “bulaşmaz”.
XX yüzyılın 20'li yılların ortalarındaki hararetli tartışmalar sırasında kuantum fiziği, maddenin tanımındaki parçacık ve dalga modellerini uzlaştıran bir yaklaşım geliştirdi. Teorik olarak, M. Born tarafından doğrulanmıştır ve özü birkaç kelimeyle şu şekilde ifade edilebilir: de Broglie dalgası, belirli bir zamanda belirli bir noktada bir parçacık bulma olasılığının dağılımını yansıtır. Bu nedenle, olasılık dalgası olarak da adlandırılır. Matematiksel olarak, çözümü bu dalganın genliğinin büyüklüğünü elde etmeyi mümkün kılan Schrödinger dalga fonksiyonu ile tanımlanır. Genlik modülünün karesi olasılığı belirler.
De Broglie'nin dalga hipotezinin değeri
1927'de N. Bohr ve W. Heisenberg tarafından geliştirilen olasılık yaklaşımı,Görsel-mekanistik, figüratif modellerin terk edilmesi pahasına bilime kabul edilmesine rağmen, son derece üretken hale gelen sözde Kopenhag yorumunun temeli. Ünlü "ölçüm sorunu" gibi bir dizi tartışmalı konunun varlığına rağmen, sayısız uygulamalarıyla kuantum teorisinin daha da geliştirilmesi Kopenhag yorumuyla ilişkilidir.
Bu arada, modern kuantum fiziğinin tartışılmaz başarısının temellerinden birinin, neredeyse bir asır önce de Broglie'nin "madde dalgaları" hakkında teorik bir kavrayış olan parlak hipotezi olduğu unutulmamalıdır. Özü, orijinal yorumdaki değişikliklere rağmen yadsınamaz: tüm maddenin, çeşitli yönleri her zaman birbirinden ayrı görünen, yine de birbirine yakından bağlı olan ikili bir doğası vardır.
