Nel 1924, il giovane fisico teorico francese Louis de Broglie introdusse il concetto di onde di materia nella circolazione scientifica. Questa audace ipotesi teorica estendeva la proprietà della dualità onda-particella (dualità) a tutte le manifestazioni della materia - non solo alla radiazione, ma anche a qualsiasi particella di materia. E sebbene la moderna teoria quantistica comprenda "l'onda della materia" in modo diverso dall'autore dell'ipotesi, questo fenomeno fisico associato alle particelle materiali porta il suo nome: l'onda di de Broglie.
Storia della nascita del concetto
Il modello semiclassico dell'atomo proposto da N. Bohr nel 1913 si basava su due postulati:
- Il momento angolare (momento) di un elettrone in un atomo non può essere nulla. È sempre proporzionale a nh/2π, dove n è un qualsiasi intero a partire da 1, e h è la costante di Planck, la cui presenza nella formula indica chiaramente che il momento angolare della particellaquantizzato Di conseguenza, c'è un insieme di orbite consentite nell'atomo, lungo le quali solo l'elettrone può muoversi e, rimanendo su di esse, non irradia, cioè non perde energia.
- L'emissione o l'assorbimento di energia da parte di un elettrone atomico avviene durante il passaggio da un'orbita all' altra e la sua quantità è uguale alla differenza di energie corrispondenti a queste orbite. Poiché non ci sono stati intermedi tra le orbite consentite, anche la radiazione è rigorosamente quantizzata. La sua frequenza è (MI1 – MI2)/h, segue direttamente dalla formula di Planck per l'energia E=hν.
Quindi, il modello dell'atomo di Bohr "proibiva" all'elettrone di irradiarsi in orbita e di trovarsi tra le orbite, ma il suo movimento era considerato classicamente, come la rivoluzione di un pianeta attorno al Sole. De Broglie stava cercando una risposta alla domanda sul perché l'elettrone si comporta in quel modo. È possibile spiegare in modo naturale la presenza di orbite ammissibili? Ha suggerito che l'elettrone deve essere accompagnato da un'onda. È la sua presenza che fa sì che la particella "scelga" solo quelle orbite su cui questa onda si adatta un numero intero di volte. Questo era il significato del coefficiente intero nella formula postulata da Bohr.
Ne conseguiva l'ipotesi che l'onda elettronica di de Broglie non sia elettromagnetica e che i parametri dell'onda dovrebbero essere caratteristici di qualsiasi particella di materia, e non solo degli elettroni nell'atomo.
Calcolo della lunghezza d'onda associata a una particella
Il giovane scienziato ha ottenuto un rapporto estremamente interessante, che lo consentedeterminare quali sono queste proprietà d'onda. Qual è l'onda quantitativa de Broglie? La formula per il suo calcolo ha una forma semplice: λ=h/p. Qui λ è la lunghezza d'onda e p è la quantità di moto della particella. Per le particelle non relativistiche, questo rapporto può essere scritto come λ=h/mv, dove m è la massa e v è la velocità della particella.
Il motivo per cui questa formula è di particolare interesse può essere visto dai valori in essa contenuti. De Broglie è riuscito a combinare in un rapporto le caratteristiche corpuscolari e ondulate della materia: quantità di moto e lunghezza d'onda. E la costante di Planck che li collega (il suo valore è di circa 6.626 × 10-27 erg∙s o 6.626 × 10-34 J∙ c) imposta la scala in cui appaiono le proprietà ondulatorie della materia.
"Onde di materia" nel micro e macromondo
Quindi, maggiore è la quantità di moto (massa, velocità) di un oggetto fisico, minore è la lunghezza d'onda ad esso associata. Questo è il motivo per cui i corpi macroscopici non mostrano la componente ondulatoria della loro natura. A titolo illustrativo, sarà sufficiente determinare la lunghezza d'onda di de Broglie per oggetti di varie scale.
- Terra. La massa del nostro pianeta è di circa 6 × 1024 kg, la velocità orbitale relativa al Sole è 3 × 104 m/s. Sostituendo questi valori nella formula, otteniamo (approssimativamente): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m Si può vedere che la lunghezza dell'"onda terrestre" è un valore evanescente. Ad ogni possibilità della sua registrazione non c'è nemmenopremesse teoriche remote.
- Un batterio del peso di circa 10-11 kg, che si muove a una velocità di circa 10-4 m/s. Dopo aver fatto un calcolo simile, si può scoprire che l'onda de Broglie di uno degli esseri viventi più piccoli ha una lunghezza dell'ordine di 10-19 m - anche troppo piccola per essere rilevata.
- Un elettrone con una massa di 9,1 × 10-31 kg. Sia accelerato un elettrone di una differenza di potenziale di 1 V ad una velocità di 106 m/s. Quindi la lunghezza d'onda dell'onda elettronica sarà di circa 7 × 10-10 m, o 0,7 nanometri, che è paragonabile alle lunghezze delle onde a raggi X e abbastanza suscettibile di registrazione.
La massa di un elettrone, come le altre particelle, è così piccola, impercettibile, che l' altro lato della loro natura diventa evidente - ondulatorio.
Tasso di diffusione
Distinguere concetti come la fase e la velocità di gruppo delle onde. Fase (la velocità di movimento della superficie di fasi identiche) per le onde de Broglie supera la velocità della luce. Questo fatto, tuttavia, non significa una contraddizione con la teoria della relatività, poiché la fase non è uno degli oggetti attraverso i quali l'informazione può essere trasmessa, quindi il principio di causalità in questo caso non viene violato in alcun modo.
La velocità di gruppo è inferiore alla velocità della luce, è associata al movimento di una sovrapposizione (sovrapposizione) di molte onde formate per dispersione, ed è lei che riflette la velocità di un elettrone o di qualsiasi altro particella a cui è associata l'onda.
Scoperta sperimentale
La grandezza della lunghezza d'onda di de Broglie ha permesso ai fisici di condurre esperimenti che confermano l'ipotesi sulle proprietà ondulatorie della materia. La risposta alla domanda se le onde elettroniche siano reali potrebbe essere un esperimento per rilevare la diffrazione di un flusso di queste particelle. Per i raggi X vicini in lunghezza d'onda agli elettroni, il solito reticolo di diffrazione non è adatto: il suo periodo (cioè la distanza tra i tratti) è troppo grande. I nodi atomici dei reticoli cristallini hanno una dimensione del periodo adatta.
Già nel 1927, K. Davisson e L. Germer organizzarono un esperimento per rilevare la diffrazione elettronica. Un singolo cristallo di nichel è stato utilizzato come reticolo riflettente e l'intensità della dispersione del fascio di elettroni a diverse angolazioni è stata registrata utilizzando un galvanometro. La natura dello scattering ha rivelato un chiaro schema di diffrazione, che ha confermato l'ipotesi di de Broglie. Indipendentemente da Davisson e Germer, JP Thomson scoprì sperimentalmente la diffrazione elettronica nello stesso anno. Un po' più tardi, l'aspetto del pattern di diffrazione è stato stabilito per i fasci di protoni, neutroni e atomi.
Nel 1949, un gruppo di fisici sovietici guidati da V. Fabrikant condusse con successo un esperimento utilizzando non un raggio, ma singoli elettroni, che permise di dimostrare inconfutabilmente che la diffrazione non è un effetto del comportamento collettivo delle particelle, e le proprietà dell'onda appartengono all'elettrone in quanto tale.
Sviluppo di idee sulle "onde di materia"
L. de Broglie stesso immaginava l'onda comeun vero e proprio oggetto fisico, indissolubilmente legato a una particella e che ne controlla il movimento, e lo chiamò "onda pilota". Tuttavia, pur continuando a considerare le particelle come oggetti con traiettorie classiche, non fu in grado di dire nulla sulla natura di tali onde.
Sviluppando le idee di de Broglie, E. Schrodinger è giunto all'idea di una natura completamente ondulatoria della materia, ignorando di fatto il suo lato corpuscolare. Qualsiasi particella nella comprensione di Schrödinger è una specie di pacchetto d'onda compatto e nient' altro. Il problema di questo approccio era, in particolare, il noto fenomeno della rapida diffusione di tali pacchetti d'onda. Allo stesso tempo, le particelle, come un elettrone, sono abbastanza stabili e non "spalmano" nello spazio.
Durante le accese discussioni della metà degli anni '20 del XX secolo, la fisica quantistica ha sviluppato un approccio che riconcilia gli schemi corpuscolari e ondulatori nella descrizione della materia. Teoricamente, è stato sostanziato da M. Born, e la sua essenza può essere espressa in poche parole come segue: l'onda di de Broglie riflette la distribuzione della probabilità di trovare una particella in un certo momento in un determinato momento. Pertanto, è anche chiamata onda di probabilità. Matematicamente, è descritto dalla funzione d'onda di Schrödinger, la cui soluzione consente di ottenere l'ampiezza dell'ampiezza di questa onda. Il quadrato del modulo dell'ampiezza determina la probabilità.
Il valore dell'ipotesi dell'onda di de Broglie
L'approccio probabilistico, migliorato da N. Bohr e W. Heisenberg nel 1927, si formòalla base della cosiddetta interpretazione di Copenaghen, che divenne estremamente produttiva, sebbene la sua adozione fosse data alla scienza a costo di abbandonare i modelli visivo-meccanici, figurativi. Nonostante la presenza di una serie di questioni controverse, come il famoso "problema della misurazione", l'ulteriore sviluppo della teoria quantistica con le sue numerose applicazioni è associato all'interpretazione di Copenaghen.
Nel frattempo, va ricordato che uno dei fondamenti dell'indiscutibile successo della fisica quantistica moderna è stata la brillante ipotesi di de Broglie, un'intuizione teorica sulle "onde di materia" quasi un secolo fa. La sua essenza, nonostante i mutamenti nell'interpretazione originaria, resta innegabile: tutta la materia ha una natura duale, i cui vari aspetti, apparendo sempre separati l'uno dall' altro, sono tuttavia strettamente interconnessi.
