Vuonna 1924 nuori ranskalainen teoreettinen fyysikko Louis de Broglie toi ainea altojen käsitteen tieteelliseen liikkeeseen. Tämä rohkea teoreettinen oletus laajensi a altohiukkasten kaksinaisuuden (kaksinaisuuden) ominaisuuden kaikkiin aineen ilmentymiin - ei vain säteilyyn, vaan myös kaikkiin aineen hiukkasiin. Ja vaikka moderni kvanttiteoria ymmärtää "aineen aallon" eri tavalla kuin hypoteesin kirjoittaja, tämä materiaalihiukkasiin liittyvä fysikaalinen ilmiö kantaa hänen nimeään - de Broglie-a alto.
Konseptin syntyhistoria
N. Bohrin vuonna 1913 ehdottama puoliklassinen atomin malli perustui kahteen postulaattiin:
- Atomissa olevan elektronin kulmamomentti (liikemäärä) ei voi olla mitä tahansa. Se on aina verrannollinen arvoon nh/2π, missä n on mikä tahansa luvusta 1 alkava kokonaisluku ja h on Planckin vakio, jonka esiintyminen kaavassa osoittaa selvästi, että hiukkasen kulmamomenttikvantisoitu Näin ollen atomissa on joukko sallittuja kiertoradoja, joita pitkin vain elektroni voi liikkua, ja niillä pysyessään se ei säteile, eli ei menetä energiaa.
- Atomielektronin energiaemissio tai -absorptio tapahtuu siirtymisen aikana kiertorad alta toiselle, ja sen määrä on yhtä suuri kuin näitä kiertoradoja vastaavien energioiden ero. Koska sallittujen kiertoratojen välillä ei ole välitiloja, myös säteily kvantisoidaan tiukasti. Sen taajuus on (E1 – E2)/h, tämä seuraa suoraan Planckin kaavasta energialle E=hν.
Joten, Bohrin atomimalli "kielsi" elektronia säteilemästä kiertoradalla ja olemasta kiertoradalla, mutta sen liikettä pidettiin klassisesti, kuten planeetan kierrosta Auringon ympäri. De Broglie etsi vastausta kysymykseen, miksi elektroni käyttäytyy niin kuin se käyttäytyy. Onko mahdollista selittää sallittujen kiertoratojen olemassaolo luonnollisella tavalla? Hän ehdotti, että elektronin mukana tulee olla jokin a alto. Sen läsnäolo saa hiukkasen "valitsemaan" vain ne kiertoradat, joille tämä a alto sopii kokonaislukumäärän kertoja. Tämä oli kokonaislukukertoimen merkitys Bohrin oletamassa kaavassa.
Se seurasi hypoteesista, että de Broglien elektronia alto ei ole sähkömagneettinen, ja a altoparametrien tulisi olla ominaisia kaikille ainehiukkasille, ei vain atomin elektroneille.
Hiukkaseen liittyvän aallonpituuden laskeminen
Nuori tiedemies sai erittäin mielenkiintoisen suhteen, joka salliimäärittää, mitkä nämä aallon ominaisuudet ovat. Mikä on kvantitatiivinen de Broglie-a alto? Sen laskentakaavalla on yksinkertainen muoto: λ=h/p. Tässä λ on hiukkasen aallonpituus ja p on liikemäärä. Ei-relativistisille hiukkasille tämä suhde voidaan kirjoittaa muodossa λ=h/mv, missä m on massa ja v on hiukkasen nopeus.
Miksi tämä kaava on erityisen kiinnostava, voidaan nähdä sen arvoista. De Broglie onnistui yhdistämään aineen korpuskulaariset ja a altoominaisuudet - liikemäärän ja aallonpituuden - samassa suhteessa. Ja niitä yhdistävä Planck-vakio (sen arvo on noin 6,626 × 10-27 erg∙s tai 6,626 × 10-34 J∙ c) asettaa asteikko, jolla aineen a altoominaisuudet ilmenevät.
"Aineen aallot" mikro- ja makromaailmassa
Joten, mitä suurempi fyysisen kohteen liikemäärä (massa, nopeus) on, sitä lyhyempi siihen liittyy aallonpituus. Tästä syystä makroskooppiset kappaleet eivät näytä luonteensa a altokomponenttia. Esimerkkinä riittää de Broglien aallonpituuden määrittäminen eri mittakaavaisille kohteille.
- Maa. Planeettamme massa on noin 6 × 1024 kg, kiertonopeus suhteessa aurinkoon on 3 × 104 m/s. Korvaamalla nämä arvot kaavaan, saamme (likimäärin): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Voidaan nähdä, että "maanaallon" pituus on katoavan pieni arvo. Sen rekisteröintimahdollisuutta ei ole edes olemassaetäiset teoreettiset tilat.
- Noin 10-11 kg painava bakteeri, joka liikkuu noin 10-4 m/s nopeudella. Kun on tehty samanlainen laskelma, voidaan havaita, että yhden pienimmistä elävistä olennoista olevan de Broglie-aallon pituus on luokkaa 10-19 m - myös liian pieni havaittavaksi.
- Elektroni, jonka massa on 9,1 × 10-31 kg. Kiihdytetään elektronia 1 V:n potentiaalierolla nopeudelle 106 m/s. Tällöin elektroniaallon aallonpituus on noin 7 × 10-10 m eli 0,7 nanometriä, mikä on verrattavissa röntgena altojen pituuksiin ja melko rekisteröitävissä.
Elektronin, kuten muidenkin hiukkasten, massa on niin pieni, huomaamaton, että niiden luonteen toinen puoli tulee havaittavaksi - a altomainen.
Levityskurssi
Erottele sellaiset käsitteet kuin a altojen vaihe- ja ryhmänopeus. Phase (identtisten vaiheiden pinnan liikenopeus) de Broglie-aalloille ylittää valon nopeuden. Tämä tosiasia ei kuitenkaan tarkoita ristiriitaa suhteellisuusteorian kanssa, koska vaihe ei ole yksi niistä objekteista, joiden kautta tietoa voidaan välittää, joten kausaalisuuden periaatetta ei tässä tapauksessa rikota millään tavalla.
Ryhmän nopeus on pienempi kuin valon nopeus, se liittyy monien dispersion seurauksena muodostuneiden a altojen superpositioon (superpositioon) liikkeeseen, ja juuri hän heijastaa elektronin tai minkä tahansa muun nopeuden hiukkanen, johon a alto liittyy.
Kokeellinen löytö
De Broglien aallonpituuden suuruus antoi fyysikot tehdä kokeita, jotka vahvistivat oletuksen aineen a altoominaisuuksista. Vastaus kysymykseen siitä, ovatko elektroniaallot todellisia, voisi olla koe näiden hiukkasten virran diffraktion havaitsemiseksi. Röntgensäteille, joiden aallonpituus on lähellä elektroneja, tavallinen diffraktiohila ei sovellu - sen jakso (eli iskujen välinen etäisyys) on liian suuri. Kidehilan atomisolmuilla on sopiva jaksokoko.
Jo vuonna 1927 K. Davisson ja L. Germer perustivat kokeen elektronideffraktion havaitsemiseksi. Heijastavana hilana käytettiin nikkeli-yksikidettä, ja elektronisäteen sironnan intensiteetti eri kulmissa mitattiin galvanometrillä. Sironnan luonne paljasti selkeän diffraktiokuvion, mikä vahvisti de Broglien oletuksen. Davissonista ja Germeristä riippumatta J. P. Thomson löysi kokeellisesti elektronidiffraktion samana vuonna. Hieman myöhemmin diffraktiokuvion ulkonäkö määritettiin protoni-, neutroni- ja atomisäteille.
Vuonna 1949 V. Fabrikantin johtama Neuvostoliiton fyysikkojen ryhmä suoritti onnistuneen kokeen, jossa ei käytetä sädettä vaan yksittäisiä elektroneja, mikä mahdollisti kiistattomasti todistamaan, että diffraktio ei ole hiukkasten kollektiivisen käyttäytymisen vaikutusta., ja aallon ominaisuudet kuuluvat elektronille sellaisenaan.
Ideoiden kehittäminen "aineen aalloista"
L. de Broglie itse kuvitteli aallon sellaiseksitodellinen fyysinen esine, joka on erottamattomasti yhteydessä hiukkaseen ja ohjaa sen liikettä, ja kutsui sitä "pilottia altoksi". Hän ei kuitenkaan pystynyt sanomaan mitään tällaisten a altojen luonteesta, vaikka hän jatkoikin pitäessään hiukkasia klassisen liikeradan omaavina esineinä.
De Broglien ideoita kehittäessään E. Schrodinger tuli ajatukseen aineen täysin a altoluonteesta, itse asiassa jättäen huomioimatta sen korpuskulaarisen puolen. Mikä tahansa hiukkanen Schrödingerin ymmärryksessä on eräänlainen kompakti a altopaketti eikä mitään muuta. Tämän lähestymistavan ongelmana oli erityisesti hyvin tunnettu ilmiö tällaisten a altopakettien nopeasta leviämisestä. Samanaikaisesti hiukkaset, kuten elektroni, ovat melko vakaita eivätkä "takerru" avaruuteen.
XX vuosisadan 1920-luvun puolivälin kiivaiden keskustelujen aikana kvanttifysiikka kehitti lähestymistavan, joka sovittaa yhteen aineen kuvauksen korpuskulaariset ja a altomallit. Teoreettisesti sen perusteli M. Born, ja sen olemus voidaan ilmaista muutamalla sanalla seuraavasti: de Broglien a alto heijastaa hiukkasen löytämisen todennäköisyyden jakautumista tietyssä pisteessä jossain vaiheessa. Siksi sitä kutsutaan myös todennäköisyysa altoksi. Matemaattisesti sitä kuvaa Schrödingerin a altofunktio, jonka ratkaisu mahdollistaa tämän aallon amplitudin suuruuden saamisen. Amplitudin moduulin neliö määrittää todennäköisyyden.
De Broglien a altohypoteesin arvo
N. Bohrin ja W. Heisenbergin vuonna 1927 parantama todennäköisyyspohjainen lähestymistapa muodostuins. Kööpenhaminan tulkinnan perusta, josta tuli äärimmäisen tuottava, vaikka sen omaksuminen annettiin tieteelle visuaalis-mekanistisista, figuratiivisista malleista luopumisen kustannuksella. Huolimatta useista kiistanalaisista kysymyksistä, kuten kuuluisa "mittausongelma", kvanttiteorian ja sen lukuisten sovellusten edelleen kehittäminen liittyy Kööpenhaminan tulkintaan.
Sillä välin on muistettava, että yksi modernin kvanttifysiikan kiistattoman menestyksen perusteista oli de Broglien loistava hypoteesi, teoreettinen näkemys "aineaalloista" lähes sata vuotta sitten. Sen olemus on alkuperäisen tulkinnan muutoksista huolimatta kiistaton: kaikella aineella on kaksoisluonne, jonka eri aspektit, aina toisistaan erillään esiintyvät, liittyvät kuitenkin läheisesti toisiinsa.
