Godine 1924, mladi francuski teorijski fizičar Louis de Broglie uveo je koncept talasa materije u naučnu cirkulaciju. Ova hrabra teorijska pretpostavka proširila je svojstvo dualnosti talasa i čestice (dualnosti) na sve manifestacije materije - ne samo na zračenje, već i na sve čestice materije. I iako moderna kvantna teorija razumije "val materije" drugačije od autora hipoteze, ovaj fizički fenomen povezan s materijalnim česticama nosi njegovo ime - de Broglieov talas.
Istorija rođenja koncepta
Poluklasični model atoma koji je predložio N. Bohr 1913. godine zasnivao se na dva postulata:
- Ugaoni moment (moment) elektrona u atomu ne može biti ništa. Uvijek je proporcionalan nh/2π, gdje je n bilo koji cijeli broj počevši od 1, a h je Plankova konstanta, čije prisustvo u formuli jasno ukazuje da je ugaoni moment česticekvantizirano Shodno tome, postoji skup dozvoljenih orbita u atomu, po kojima se samo elektron može kretati, a zadržavajući se na njima ne zrači, odnosno ne gubi energiju.
- Emisija ili apsorpcija energije od strane atomskog elektrona dešava se tokom prelaska iz jedne orbite u drugu, a njena količina je jednaka razlici u energijama koje odgovaraju ovim orbitama. Pošto ne postoje posredna stanja između dozvoljenih orbita, zračenje je takođe strogo kvantizovano. Njegova frekvencija je (E1 – E2)/h, ovo direktno proizilazi iz Planckove formule za energiju E=hν.
Dakle, Borov model atoma je "zabranio" elektronu da zrači u orbiti i da bude između orbita, ali se njegovo kretanje smatralo klasično, kao revolucija planete oko Sunca. De Broglie je tražio odgovor na pitanje zašto se elektron ponaša na način na koji se ponaša. Da li je moguće objasniti prisustvo dopuštenih orbita na prirodan način? On je sugerisao da elektron mora biti praćen nekim talasom. Njegovo prisustvo čini česticu da "izabere" samo one orbite na koje ovaj talas stane cijeli broj puta. Ovo je bilo značenje celobrojnog koeficijenta u formuli koju je postulirao Bohr.
Iz hipoteze je proizašlo da de Broglieov elektronski talas nije elektromagnetski, a parametri talasa treba da budu karakteristični za bilo koju česticu materije, a ne samo za elektrone u atomu.
Izračunavanje talasne dužine povezane sa česticom
Mladi naučnik je dobio izuzetno interesantan odnos, što dozvoljavaodrediti koja su ta svojstva talasa. Šta je kvantitativni de Broljevi talas? Formula za njen proračun ima jednostavan oblik: λ=h/p. Ovdje je λ talasna dužina, a p je impuls čestice. Za nerelativističke čestice, ovaj omjer se može napisati kao λ=h/mv, gdje je m masa, a v brzina čestice.
Zašto je ova formula od posebnog interesa može se vidjeti iz vrijednosti u njoj. De Broglie je uspio spojiti u jednom omjeru korpuskularne i valne karakteristike materije - impuls i talasnu dužinu. I Plankova konstanta koja ih povezuje (njena vrijednost je približno 6.626 × 10-27 erg∙s ili 6.626 × 10-34 J∙ c) postavlja skala na kojoj se pojavljuju valna svojstva materije.
"Talasi materije" u mikro- i makrosvijetu
Dakle, što je veći zamah (masa, brzina) fizičkog objekta, to je kraća talasna dužina povezana s njim. To je razlog zašto makroskopska tijela ne pokazuju talasnu komponentu svoje prirode. Kao ilustraciju, biće dovoljno odrediti de Broljovu talasnu dužinu za objekte različitih razmera.
- Zemlja. Masa naše planete je oko 6 × 1024 kg, orbitalna brzina u odnosu na Sunce je 3 × 104 m/s. Zamjenom ovih vrijednosti u formulu, dobijamo (približno): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Može se vidjeti da je dužina "zemaljskog vala" nestajuća mala vrijednost. Nikakve mogućnosti njegove registracije ne postojiudaljene teorijske prostorije.
- Bakterija težine oko 10-11 kg, koja se kreće brzinom od oko 10-4 m/s. Napravivši sličan proračun, može se otkriti da de Broglieov talas jednog od najmanjih živih bića ima dužinu reda veličine 10-19 m - takođe premalo da bi se detektovao.
- Elektron koji ima masu 9,1 × 10-31 kg. Neka elektron bude ubrzan potencijalnom razlikom od 1 V do brzine od 106 m/s. Tada će talasna dužina elektronskog talasa biti približno 7 × 10-10 m, ili 0,7 nanometara, što je uporedivo sa dužinama rendgenskih talasa i prilično podložno registraciji.
Masa elektrona, kao i drugih čestica, toliko je mala, neprimjetna, da postaje primjetna druga strana njihove prirode - valovita.
Stopa širenja
Razlikujte koncepte kao što su faza i grupna brzina talasa. Faza (brzina kretanja površine identičnih faza) za de Broljeve talase premašuje brzinu svetlosti. Ova činjenica, međutim, ne znači kontradikciju sa teorijom relativnosti, budući da faza nije jedan od objekata preko kojih se informacije mogu prenositi, pa se princip kauzalnosti u ovom slučaju ni na koji način ne krši.
Grupna brzina je manja od brzine svjetlosti, povezana je s kretanjem superpozicije (superpozicije) mnogih valova nastalih uslijed disperzije, a ona je ta koja odražava brzinu elektrona ili bilo kojeg drugog čestica s kojom je val povezan.
Eksperimentalno otkriće
Veličina de Broljeve talasne dužine omogućila je fizičarima da izvedu eksperimente koji potvrđuju pretpostavku o valnim svojstvima materije. Odgovor na pitanje da li su elektronski valovi stvarni mogao bi biti eksperiment za otkrivanje difrakcije struje ovih čestica. Za X-zrake bliske talasnoj dužini elektronima, uobičajena difrakciona rešetka nije prikladna - njen period (odnosno rastojanje između poteza) je prevelik. Atomski čvorovi kristalne rešetke imaju odgovarajuću veličinu perioda.
Već 1927., K. Davisson i L. Germer postavili su eksperiment za otkrivanje difrakcije elektrona. Kao reflektirajuća rešetka korišten je monokristal nikla, a galvanometrom je zabilježen intenzitet raspršivanja elektronskog snopa pod različitim uglovima. Priroda raspršenja otkrila je jasan uzorak difrakcije, koji je potvrdio de Broglieovu pretpostavku. Nezavisno od Davissona i Germera, J. P. Thomson je eksperimentalno otkrio difrakciju elektrona iste godine. Nešto kasnije ustanovljen je izgled difrakcionog uzorka za protonske, neutronske i atomske zrake.
Godine 1949. grupa sovjetskih fizičara predvođena V. Fabrikantom izvela je uspješan eksperiment koristeći ne snop, već pojedinačne elektrone, što je omogućilo nepobitno dokazati da difrakcija nije nikakav učinak kolektivnog ponašanja čestica, a svojstva talasa pripadaju elektronu kao takvom.
Razvoj ideja o "talasima materije"
L. de Broglie je sam zamišljao talas kaopravi fizički objekat, neraskidivo povezan sa česticom i koji kontroliše njeno kretanje, i nazvao ga "pilot talas". Međutim, dok je nastavio da razmatra čestice kao objekte sa klasičnim putanjama, on nije bio u stanju da kaže ništa o prirodi takvih talasa.
Razvijajući ideje de Brolja, E. Schrodinger je došao do ideje o potpuno talasnoj prirodi materije, zapravo, zanemarujući njenu korpuskularnu stranu. Svaka čestica u Schrödingerovom razumijevanju je neka vrsta kompaktnog valnog paketa i ništa više. Problem ovog pristupa bio je, posebno, dobro poznati fenomen brzog širenja takvih talasnih paketa. U isto vrijeme, čestice, poput elektrona, prilično su stabilne i ne „razmazuju se“po prostoru.
Tokom žučnih diskusija sredinom 20-ih godina XX veka, kvantna fizika je razvila pristup koji pomiruje korpuskularne i talasne obrasce u opisu materije. Teoretski, to je potkrijepio M. Born, a njegova se suština može izraziti u nekoliko riječi na sljedeći način: de Broglieov talas odražava raspodjelu vjerovatnoće pronalaska čestice u određenoj tački u nekom vremenskom trenutku. Stoga se naziva i val vjerovatnoće. Matematički je opisan pomoću Schrödingerove valne funkcije, čije rješenje omogućava da se dobije veličina amplitude ovog vala. Kvadrat modula amplitude određuje vjerovatnoću.
Vrijednost hipoteze de Broglieovog talasa
Verovatni pristup, koji su poboljšali N. Bohr i W. Heisenberg 1927, formirao jeosnova takozvane kopenhaške interpretacije, koja je postala izuzetno produktivna, iako je njeno usvajanje data nauci po cenu napuštanja vizuelno-mehaničkih, figurativnih modela. Uprkos prisutnosti brojnih kontroverznih pitanja, kao što je čuveni "problem mjerenja", daljnji razvoj kvantne teorije s njenim brojnim primjenama povezan je s Kopenhagenskom interpretacijom.
U međuvremenu, treba imati na umu da je jedan od temelja neospornog uspjeha moderne kvantne fizike bila de Broglieova briljantna hipoteza, teorijski uvid o "materijskim talasima" prije skoro jednog stoljeća. Njegova suština, uprkos promjenama u originalnom tumačenju, ostaje neporeciva: sva materija ima dvojnu prirodu, čiji su različiti aspekti, koji se uvijek pojavljuju odvojeno jedan od drugog, ipak blisko povezani.
