در سال 1924، فیزیکدان نظری جوان فرانسوی، لویی دو بروگلی، مفهوم امواج ماده را وارد گردش علمی کرد. این فرض نظری جسورانه، خاصیت دوگانگی موج-ذره (دوگانگی) را به همه مظاهر ماده - نه تنها به تشعشع، بلکه به هر ذره ای از ماده - گسترش داد. و اگرچه نظریه کوانتومی مدرن «موج ماده» را متفاوت از نویسنده این فرضیه درک می‌کند، اما این پدیده فیزیکی مرتبط با ذرات مادی نام او را دارد - موج دو بروگل.
تاریخچه تولد مفهوم
مدل نیمه کلاسیک اتم که توسط N. Bohr در سال 1913 ارائه شد بر اساس دو اصل بود:
- تکانه زاویه ای یک الکترون در یک اتم نمی تواند چیزی باشد. همیشه با nh/2π متناسب است، جایی که n هر عدد صحیحی است که از 1 شروع می شود، و h ثابت پلانک است که وجود آن در فرمول به وضوح نشان می دهد که تکانه زاویه ای ذرهکوانتیزه شده در نتیجه مجموعه ای از مدارهای مجاز در اتم وجود دارد که فقط الکترون می تواند در طول آنها حرکت کند و با ماندن روی آنها تابش نمی کند، یعنی انرژی را از دست نمی دهد.
- انتشار یا جذب انرژی توسط یک الکترون اتمی در حین انتقال از یک مدار به مدار دیگر رخ می دهد و مقدار آن برابر است با اختلاف انرژی های مربوط به این مدارها. از آنجایی که هیچ حالت میانی بین مدارهای مجاز وجود ندارد، تابش نیز به شدت کوانتیزه می شود. فرکانس آن (E1 – E2) در ساعت است، این به طور مستقیم از فرمول پلانک برای انرژی E=hν ناشی می شود.
بنابراین، مدل بور از اتم، الکترون را از تابش در مدار و قرار گرفتن بین مدارها "منع" می کرد، اما حرکت آن به طور کلاسیک، مانند چرخش یک سیاره به دور خورشید در نظر گرفته می شد. دی بروگلی به دنبال پاسخی برای این سوال بود که چرا الکترون به این شکل رفتار می کند. آیا می توان وجود مدارهای مجاز را به صورت طبیعی توضیح داد؟ او پیشنهاد کرد که الکترون باید با مقداری موج همراه باشد. وجود آن است که باعث می‌شود ذره فقط مدارهایی را انتخاب کند که این موج به تعداد صحیح بار بر روی آنها قرار می‌گیرد. این معنای ضریب عدد صحیح در فرمول فرض شده توسط بور بود.
از این فرضیه نتیجه گرفت که موج الکترونی دو بروگل الکترومغناطیسی نیست و پارامترهای موج باید مشخصه هر ذره ماده باشد و نه فقط الکترون های موجود در اتم.
محاسبه طول موج مرتبط با یک ذره
دانشمند جوان نسبت بسیار جالبی به دست آورد که اجازه می دهدمشخص کنید که این ویژگی های موج چیست. موج کمی د بروگلی چیست؟ فرمول محاسبه آن شکل ساده ای دارد: λ=h/p. در اینجا λ طول موج و p تکانه ذره است. برای ذرات غیرنسبیتی، این نسبت را می توان به صورت λ=h/mv نوشت، که m جرم و v سرعت ذره است.
چرا این فرمول مورد توجه خاص است را می توان از مقادیر موجود در آن فهمید. د بروگلی موفق شد ویژگی های جسمی و موجی ماده - تکانه و طول موج را در یک نسبت ترکیب کند. و ثابت پلانک که آنها را به هم متصل می کند (مقدار آن تقریباً 6.626 × 10-27 erg∙s یا 6.626 × 10-34 J∙ c) مجموعه می شود. مقیاسی که در آن خواص موجی ماده ظاهر می شود.
"امواج ماده" در دنیای خرد و کلان
بنابراین، هرچه تکانه (جرم، سرعت) یک جسم فیزیکی بیشتر باشد، طول موج مرتبط با آن کوتاهتر است. این دلیلی است که اجسام ماکروسکوپی جزء موجی ماهیت خود را نشان نمی دهند. به عنوان مثال، تعیین طول موج دو بروگل برای اجسام در مقیاس های مختلف کافی است.
- زمین. جرم سیاره ما حدود 6 × 1024 کیلوگرم است، سرعت مداری نسبت به خورشید 3 × 104 متر بر ثانیه است. با جایگزینی این مقادیر در فرمول، ما (تقریبا): 6، 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3.6 × 10-63 متر. می توان مشاهده کرد که طول "موج زمین" یک مقدار بسیار کوچک است.. به هر گونه امکان ثبت آن حتی وجود نداردمقدمات نظری از راه دور.
- یک باکتری با وزن حدود 10-11 کیلوگرم، با سرعتی در حدود 10-4 متر بر ثانیه حرکت می کند. با انجام یک محاسبه مشابه، می توان دریافت که موج دو بروگلی یکی از کوچکترین موجودات زنده دارای طولی برابر با 10-19 متر است - همچنین بسیار کوچک است که قابل تشخیص نیست..
- الکترونی با جرم 9.1 × 10-31 کیلوگرم. بگذارید یک الکترون با اختلاف پتانسیل 1 ولت به سرعت 106 m/s شتاب بگیرد. سپس طول موج موج الکترونی تقریباً 7 × 10-10 متر یا 0.7 نانومتر خواهد بود که با طول امواج اشعه ایکس قابل مقایسه است و کاملاً قابل ثبت است.
جرم یک الکترون، مانند سایر ذرات، آنقدر کوچک و نامحسوس است که طرف دیگر ماهیت آنها قابل توجه است - موجی.
نرخ انتشار
بین مفاهیمی مانند سرعت فاز و گروهی امواج تمایز قائل شوید. فاز (سرعت حرکت سطح فازهای یکسان) برای امواج د بروگل از سرعت نور بیشتر است. اما این واقعیت به معنای تضاد با نظریه نسبیت نیست، زیرا فاز یکی از اشیایی نیست که بتوان از طریق آن اطلاعات را منتقل کرد، بنابراین اصل علیت در این مورد به هیچ وجه نقض نمی شود.
سرعت گروه کمتر از سرعت نور است، با حرکت برهم نهی (برهم نهی) بسیاری از امواجی که در اثر پراکندگی تشکیل شده اند، مرتبط است و این اوست که سرعت یک الکترون یا هر الکترون دیگری را منعکس می کند. ذره ای که موج با آن مرتبط است.
کشف تجربی
قدر طول موج دو بروگلی به فیزیکدانان اجازه داد تا آزمایشاتی را انجام دهند که این فرض را در مورد خواص موجی ماده تأیید می کند. پاسخ به این سوال که آیا امواج الکترونی واقعی هستند می تواند آزمایشی برای تشخیص پراش جریانی از این ذرات باشد. برای پرتوهای ایکس نزدیک به طول موج به الکترون ها، توری پراش معمولی مناسب نیست - دوره آن (یعنی فاصله بین ضربه ها) خیلی زیاد است. گره های اتمی شبکه های کریستالی اندازه دوره مناسبی دارند.
در حال حاضر در سال 1927، K. Davisson و L. Germer آزمایشی را برای تشخیص پراش الکترون ترتیب دادند. از یک تک کریستال نیکل به عنوان یک توری بازتابنده استفاده شد و شدت پراکندگی پرتو الکترون در زوایای مختلف با استفاده از یک گالوانومتر ثبت شد. ماهیت پراکندگی یک الگوی پراش واضح را نشان داد که فرض دو بروگلی را تأیید کرد. جی پی تامسون مستقل از دیویسون و گرمر، پراش الکترون را در همان سال به طور تجربی کشف کرد. کمی بعد، ظاهر الگوی پراش برای پرتوهای پروتون، نوترون و اتمی مشخص شد.
در سال 1949، گروهی از فیزیکدانان شوروی به رهبری V. Fabrikant آزمایش موفقیت آمیزی را با استفاده از یک پرتو، بلکه با تک تک الکترون ها انجام دادند، که به طور غیرقابل انکاری ثابت کرد که پراش هیچ اثری از رفتار جمعی ذرات نیست. و خواص موج به این ترتیب متعلق به الکترون است.
توسعه ایده در مورد "امواج ماده"
L. de Broglie خود موج را به عنوان تصور می کردیک جسم فیزیکی واقعی که به طور جدایی ناپذیری با یک ذره مرتبط است و حرکت آن را کنترل می کند و آن را "موج خلبان" نامیده است. با این حال، در حالی که همچنان ذرات را به عنوان اجسامی با مسیرهای کلاسیک در نظر می گرفت، نتوانست چیزی در مورد ماهیت چنین امواجی بگوید.
با توسعه ایده های دو بروگلی، ای. شرودینگر به ایده ماهیت کاملاً موجی ماده رسید، در واقع، جنبه جسمی آن را نادیده گرفت. هر ذره ای در درک شرودینگر نوعی بسته موج فشرده است و نه چیزی بیشتر. مشکل این رویکرد، به ویژه، پدیده شناخته شده انتشار سریع چنین بسته های موجی بود. در عین حال، ذرات، مانند یک الکترون، کاملاً پایدار هستند و روی فضا «لکه‌دار» نمی‌شوند.
در طول بحث های داغ در اواسط دهه 20 قرن بیستم، فیزیک کوانتوم رویکردی را توسعه داد که الگوهای جسمی و موجی را در توصیف ماده با هم هماهنگ می کند. از نظر تئوری، M. Born آن را اثبات کرد و ماهیت آن را می توان در چند کلمه به شرح زیر بیان کرد: موج دو بروگل توزیع احتمال یافتن یک ذره را در یک نقطه خاص از زمان منعکس می کند. بنابراین به آن موج احتمال نیز می گویند. از نظر ریاضی، با تابع موج شرودینگر توصیف می شود که حل آن امکان به دست آوردن بزرگی دامنه این موج را فراهم می کند. مجذور مدول دامنه احتمال را تعیین می کند.
مقدار فرضیه موج دوبرولی
رویکرد احتمالاتی که توسط N. Bohr و W. Heisenberg در سال 1927 بهبود یافت، شکل گرفت.اساس تفسیر کپنهاگ نامیده می شود که بسیار سازنده شد، اگرچه پذیرش آن به قیمت کنار گذاشتن مدل های بصری-مکانیستی و فیگوراتیو به علم داده شد. علیرغم وجود تعدادی از مسائل بحث برانگیز، مانند معروف "مشکل اندازه گیری"، توسعه بیشتر نظریه کوانتومی با کاربردهای متعدد آن با تفسیر کپنهاگ مرتبط است.
در همین حال، باید به خاطر داشت که یکی از پایه های موفقیت غیرقابل انکار فیزیک کوانتومی مدرن، فرضیه درخشان دو بروگلی بود، یک بینش نظری در مورد "امواج ماده" تقریباً یک قرن پیش. ماهیت آن، علیرغم تغییرات در تفسیر اصلی، غیرقابل انکار باقی می ماند: همه مواد دارای ماهیت دوگانه هستند، وجوه مختلف آن، که همیشه جدا از یکدیگر ظاهر می شوند، با این وجود، به طور نزدیک به هم مرتبط هستند.
