L'any 1924, el jove físic teòric francès Louis de Broglie va introduir el concepte d'ones de matèria a la circulació científica. Aquesta suposició teòrica atrevida va estendre la propietat de la dualitat ona-partícula (dualitat) a totes les manifestacions de la matèria, no només a la radiació, sinó també a qualsevol partícula de matèria. I encara que la teoria quàntica moderna entén l'"ona de matèria" de manera diferent a l'autor de la hipòtesi, aquest fenomen físic associat a partícules materials porta el seu nom: l'ona de Broglie.
Història del naixement del concepte
El model semiclàssic de l'àtom proposat per N. Bohr el 1913 es basava en dos postulats:
- El moment angular (moment) d'un electró en un àtom no pot ser res. Sempre és proporcional a nh/2π, on n és qualsevol nombre enter que comenci per 1, i h és la constant de Planck, la presència de la qual a la fórmula indica clarament que el moment angular de la partículaquantificat En conseqüència, hi ha un conjunt d'òrbites permeses a l'àtom, al llarg de les quals només es pot moure l'electró i, quedant sobre elles, no irradia, és a dir, no perd energia.
- L'emissió o absorció d'energia per part d'un electró atòmic es produeix durant la transició d'una òrbita a una altra, i la seva quantitat és igual a la diferència d'energies corresponents a aquestes òrbites. Com que no hi ha estats intermedis entre òrbites permeses, la radiació també es quantifica estrictament. La seva freqüència és (E1 – E2)/h, això es desprèn directament de la fórmula de Planck per a l'energia E=hν.
Per tant, el model de l'àtom de Bohr "prohibeix" que l'electró s'irradiés en òrbita i estigués entre òrbites, però el seu moviment es va considerar clàssicament, com la revolució d'un planeta al voltant del Sol. De Broglie buscava una resposta a la pregunta de per què l'electró es comporta com ho fa. És possible explicar la presència d'òrbites admissibles d'una manera natural? Va suggerir que l'electró ha d'anar acompanyat d'una ona. És la seva presència la que fa que la partícula "trii" només aquelles òrbites en què aquesta ona s'ajusta un nombre sencer de vegades. Aquest era el significat del coeficient sencer a la fórmula postulada per Bohr.
Es dedueix de la hipòtesi que l'ona electrònica de De Broglie no és electromagnètica i els paràmetres de l'ona haurien de ser característics de qualsevol partícula de matèria, i no només dels electrons de l'àtom.
Càlcul de la longitud d'ona associada a una partícula
El jove científic va obtenir una proporció extremadament interessant, que permetdeterminar quines són aquestes propietats d'ona. Què és l'ona quantitativa de Broglie? La fórmula per al seu càlcul té una forma simple: λ=h/p. Aquí λ és la longitud d'ona i p és el moment de la partícula. Per a les partícules no relativistes, aquesta relació es pot escriure com λ=h/mv, on m és la massa i v és la velocitat de la partícula.
Per què aquesta fórmula té un interès especial es pot veure als valors que hi ha. De Broglie va aconseguir combinar en una proporció les característiques corpusculars i ondulatòries de la matèria: el moment i la longitud d'ona. I la constant de Planck que els connecta (el seu valor és aproximadament 6,626 × 10-27 erg∙s o 6,626 × 10-34 J∙ c) l'escala a la qual apareixen les propietats ondulatòries de la matèria.
"Ones de matèria" al micro i macromón
Per tant, com més gran sigui l'impuls (massa, velocitat) d'un objecte físic, més curta serà la longitud d'ona associada a ell. Aquesta és la raó per la qual els cossos macroscòpics no mostren el component ondulatori de la seva naturalesa. Com a il·lustració, n'hi haurà prou amb determinar la longitud d'ona de De Broglie per a objectes de diverses escales.
- Terra. La massa del nostre planeta és d'uns 6 × 1024 kg, la velocitat orbital relativa al Sol és de 3 × 104 m/s. Substituint aquests valors a la fórmula, obtenim (aproximadament): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 104)=3,6 × 10-63 m. Es pot veure que la longitud de l'"ona terrestre" és un valor molt petit.. Ni tan sols hi ha possibilitat del seu registrepremisses teòriques remotes.
- Un bacteri que pesa uns 10-11 kg, que es mou a una velocitat d'uns 10-4 m/s. Després d'haver fet un càlcul similar, es pot descobrir que l'ona de Broglie d'un dels éssers vius més petits té una longitud de l'ordre de 10-19 m, també massa petita per ser detectada..
- Un electró amb una massa de 9,1 × 10-31 kg. Deixem que un electró sigui accelerat per una diferència de potencial d'1 V fins a una velocitat de 106 m/s. Aleshores, la longitud d'ona de l'ona d'electrons serà d'aproximadament 7 × 10-10 m, o 0,7 nanòmetres, que és comparable a la longitud de les ones de raigs X i bastant susceptible de registre.
La massa d'un electró, com altres partícules, és tan petita, imperceptible, que l' altra cara de la seva naturalesa es fa perceptible, semblant a una ona.
Taxa de propagació
Distingeix entre conceptes com ara la velocitat de fase i grup de les ones. La fase (la velocitat de moviment de la superfície de fases idèntiques) per a les ones de Broglie supera la velocitat de la llum. Aquest fet, però, no suposa una contradicció amb la teoria de la relativitat, ja que la fase no és un dels objectes a través dels quals es pot transmetre la informació, per la qual cosa el principi de causalitat en aquest cas no es vulnera de cap manera.
La velocitat del grup és menor que la velocitat de la llum, s'associa amb el moviment d'una superposició (superposició) de moltes ones formades a causa de la dispersió, i és ella qui reflecteix la velocitat d'un electró o qualsevol altre. partícula amb la qual està associada l'ona.
Descobriment experimental
La magnitud de la longitud d'ona de De Broglie va permetre als físics dur a terme experiments que confirmessin la suposició sobre les propietats ondulatòries de la matèria. La resposta a la pregunta de si les ones d'electrons són reals podria ser un experiment per detectar la difracció d'un corrent d'aquestes partícules. Per als raigs X propers a la longitud d'ona dels electrons, la xarxa de difracció habitual no és adequada: el seu període (és a dir, la distància entre els traços) és massa gran. Els nodes atòmics de les xarxes cristal·lines tenen una mida de període adequada.
Ja l'any 1927, K. Davisson i L. Germer van organitzar un experiment per detectar la difracció d'electrons. Es va utilitzar un cristall únic de níquel com a reixa reflectora i es va registrar la intensitat de la dispersió del feix d'electrons a diferents angles mitjançant un galvanòmetre. La naturalesa de la dispersió va revelar un patró de difracció clar, que va confirmar la suposició de De Broglie. Independentment de Davisson i Germer, J. P. Thomson va descobrir experimentalment la difracció d'electrons el mateix any. Una mica més tard, es va establir l'aparició del patró de difracció per als feixos de protons, neutrons i atòmics.
L'any 1949, un grup de físics soviètics liderats per V. Fabrikant va dur a terme un experiment amb èxit no utilitzant un feix, sinó electrons individuals, fet que va permetre demostrar de manera irrefutable que la difracció no és cap efecte del comportament col·lectiu de les partícules., i les propietats de l'ona pertanyen a l'electró com a tal.
Desenvolupament d'idees sobre "ones de matèria"
El mateix L. de Broglie es va imaginar l'ona comun objecte físic real, inextricablement lligat a una partícula i que controla el seu moviment, i l'anomena "ona pilot". Tanmateix, tot i que continuava considerant les partícules com a objectes amb trajectòries clàssiques, no va poder dir res sobre la naturalesa d'aquestes ones.
Desenvolupant les idees de de Broglie, E. Schrodinger va arribar a la idea d'una naturalesa completament ondulatòria de la matèria, de fet, ignorant el seu costat corpuscular. Qualsevol partícula en la comprensió de Schrödinger és una mena de paquet d'ones compactes i res més. El problema d'aquest enfocament era, en particular, el conegut fenomen de la ràpida propagació d'aquests paquets d'ones. Al mateix temps, les partícules, com ara un electró, són bastant estables i no "taquen" l'espai.
Durant les acalorades discussions de mitjans dels anys 20 del segle XX, la física quàntica va desenvolupar un enfocament que concilia els patrons corpusculars i ondulatoris en la descripció de la matèria. Teòricament, va ser corroborat per M. Born, i la seva essència es pot expressar en poques paraules de la següent manera: l'ona de Broglie reflecteix la distribució de la probabilitat de trobar una partícula en un punt determinat en algun moment del temps. Per tant, també s'anomena ona de probabilitat. Matemàticament, es descriu per la funció d'ona de Schrödinger, la solució de la qual permet obtenir la magnitud de l'amplitud d'aquesta ona. El quadrat del mòdul de l'amplitud determina la probabilitat.
El valor de la hipòtesi de l'ona de De Broglie
L'enfocament probabilístic, millorat per N. Bohr i W. Heisenberg el 1927, es va formarla base de l'anomenada interpretació de Copenhaguen, que va esdevenir extremadament productiva, encara que la seva adopció es va donar a la ciència a costa d'abandonar els models visual-mecanistes, figuratius. Malgrat la presència d'una sèrie de qüestions controvertides, com el famós "problema de la mesura", el desenvolupament posterior de la teoria quàntica amb les seves nombroses aplicacions està associat a la interpretació de Copenhaguen.
Mentrestant, cal recordar que un dels fonaments de l'èxit indiscutible de la física quàntica moderna va ser la brillant hipòtesi de De Broglie, una visió teòrica sobre les "ones de matèria" fa gairebé un segle. La seva essència, malgrat els canvis en la interpretació original, segueix sent innegable: tota matèria té una naturalesa dual, els diferents aspectes de la qual, apareixent sempre per separat els uns dels altres, estan tanmateix estretament interconnectats.
