1924. aastal tutvustas noor prantsuse teoreetiline füüsik Louis de Broglie ainelainete kontseptsiooni teadusringlusse. See julge teoreetiline oletus laiendas laine-osakeste duaalsuse (duaalsuse) omadust aine kõikidele ilmingutele – mitte ainult kiirgusele, vaid ka kõikidele aineosakestele. Ja kuigi kaasaegne kvantteooria mõistab “aine lainet” teisiti kui hüpoteesi autor, kannab see materiaalsete osakestega seotud füüsikaline nähtus tema nime – de Broglie laine.
Mõtete sünnilugu
N. Bohri poolt 1913. aastal välja pakutud poolklassikaline aatomimudel põhines kahel postulaadil:
- Aatomis oleva elektroni nurkimpulss (impulss) ei saa olla midagi. See on alati võrdeline väärtusega nh/2π, kus n on mis tahes täisarv, mis algab 1-st ja h on Plancki konstant, mille olemasolu valemis näitab selgelt, et osakese nurkimpulsskvantiseeritud Järelikult on aatomis hulk lubatud orbiite, mida mööda saab liikuda ainult elektron, millel püsides ta ei kiirga, st ei kaota energiat.
- Energia emissioon või neeldumine aatomi elektroni poolt toimub üleminekul ühelt orbiidilt teisele ja selle hulk võrdub nendele orbiitidele vastavate energiate erinevusega. Kuna lubatud orbiitide vahel pole vahepealseid olekuid, on ka kiirgus rangelt kvantiseeritud. Selle sagedus on (E1 – E2)/h, see tuleneb otseselt Plancki valemist energia E=hν.
Niisiis, Bohri aatomimudel "keelas" elektronil orbiidil kiirgamise ja orbiitide vahel viibimise, kuid selle liikumist peeti klassikaliselt nagu planeedi tiirlemist ümber Päikese. De Broglie otsis vastust küsimusele, miks elektron käitub nii, nagu ta käitub. Kas lubatavate orbiitide olemasolu on võimalik loomulikul viisil seletada? Ta tegi ettepaneku, et elektroniga peab kaasnema mingi laine. Just selle olemasolu paneb osakese "valima" ainult neid orbiite, millele see laine mahub täisarv korda. See oli täisarvu koefitsiendi tähendus Bohri postuleeritud valemis.
See tulenes hüpoteesist, et de Broglie elektronlaine ei ole elektromagnetiline ja laine parameetrid peaksid olema iseloomulikud mis tahes aineosakestele, mitte ainult aatomi elektronidele.
Osakesega seotud lainepikkuse arvutamine
Noor teadlane sai äärmiselt huvitava suhte, mis võimaldabmäärake need laineomadused. Mis on kvantitatiivne de Broglie laine? Selle arvutamise valem on lihtsa kujuga: λ=h/p. Siin λ on osakese lainepikkus ja p impulss. Mitterelativistlike osakeste puhul saab selle suhte kirjutada kujul λ=h/mv, kus m on mass ja v on osakese kiirus.
Miks see valem erilist huvi pakub, saab näha selles sisalduvatest väärtustest. De Broglie’l õnnestus ühes vahekorras ühendada aine korpuskulaarsed ja lainelised omadused – impulss ja lainepikkus. Ja neid ühendav Plancki konstant (selle väärtus on ligikaudu 6,626 × 10-27 erg∙s või 6,626 × 10-34 J∙ c) komplekti skaala, millel ilmnevad aine lainelised omadused.
"ainelained" mikro- ja makromaailmas
Seega, mida suurem on füüsilise objekti impulss (mass, kiirus), seda lühem on sellega seotud lainepikkus. See on põhjus, miks makroskoopilised kehad ei näita oma olemuse lainekomponenti. Näitena piisab de Broglie lainepikkuse määramisest erineva ulatusega objektide jaoks.
- Maa. Meie planeedi mass on umbes 6 × 1024 kg, orbiidi kiirus Päikese suhtes on 3 × 104 m/s. Asendades need väärtused valemis, saame (ligikaudne): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. On näha, et "maalaine" pikkus on kaduv alt väike väärtus. Selle registreerimise võimalus puudub isegikauged teoreetilised ruumid.
- Umbes 10-11 kg kaaluv bakter, mis liigub kiirusega umbes 10-4 m/s. Pärast sarnast arvutust saab teada, et ühe väikseima elusolendi de Broglie laine pikkus on suurusjärgus 10-19 m – samuti liiga väike, et seda tuvastada..
- Elektron massiga 9,1 × 10-31 kg. Olgu elektroni kiirendatud potentsiaalide erinevusega 1 V kiiruseni 106 m/s. Siis on elektronlaine lainepikkus ligikaudu 7 × 10-10 m ehk 0,7 nanomeetrit, mis on võrreldav röntgenlainete pikkusega ja üsna registreeritav.
Elektroni, nagu ka teiste osakeste, mass on nii väike, märkamatu, et nende olemuse teine pool muutub märgatavaks – laineliseks.
Levitusmäär
Eristage selliseid mõisteid nagu lainete faas ja rühmakiirus. Faas (identsete faaside pinna liikumise kiirus) de Broglie lainete puhul ületab valguse kiiruse. See asjaolu ei tähenda aga vastuolu relatiivsusteooriaga, kuna faas ei kuulu objektide hulka, mille kaudu saab infot edastada, mistõttu põhjuslikkuse põhimõtet antud juhul mitte kuidagi ei rikuta.
Rühma kiirus on väiksem kui valguse kiirus, see on seotud dispersiooni tõttu tekkinud paljude lainete superpositsiooni (superpositsiooni) liikumisega ja just tema peegeldab elektroni või mõne muu kiirust. osake, millega laine on seotud.
Eksperimentaalne avastus
De Broglie lainepikkuse suurus võimaldas füüsikutel teha katseid, mis kinnitasid oletust aine laineliste omaduste kohta. Vastus küsimusele, kas elektronlained on tõelised, võiks olla eksperiment nende osakeste voo difraktsiooni tuvastamiseks. Röntgenikiirguse jaoks, mis on elektronidele lähedase lainepikkusega, ei sobi tavaline difraktsioonivõre - selle periood (st löökide vaheline kaugus) on liiga suur. Kristallvõre aatomisõlmedel on sobiv perioodi suurus.
Juba 1927. aastal korraldasid K. Davisson ja L. Germer katse elektronide difraktsiooni tuvastamiseks. Peegeldusvõrena kasutati nikli monokristalli ning galvanomeetri abil registreeriti elektronkiire hajumise intensiivsus erinevate nurkade all. Hajuvuse olemus näitas selget difraktsioonimustrit, mis kinnitas de Broglie oletust. Sõltumata Davissonist ja Germerist avastas J. P. Thomson samal aastal eksperimentaalselt elektronide difraktsiooni. Veidi hiljem määrati prootoni-, neutron- ja aatomikiirte difraktsioonimuster.
1949. aastal viis rühm Nõukogude füüsikuid V. Fabrikanti juhtimisel läbi eduka katse, kasutades mitte kiirt, vaid üksikuid elektrone, mis võimaldas ümberlükkamatult tõestada, et difraktsioon ei ole osakeste kollektiivse käitumise mõju., ja laineomadused kuuluvad elektronile kui sellisele.
Ainelainete ideede arendamine
L. de Broglie ise kujutles lainet sellisenatõeline füüsiline objekt, mis on osakesega lahutamatult seotud ja kontrollib selle liikumist ning nimetas seda "pilootlaineks". Kuigi ta pidas osakesi jätkuv alt klassikalise trajektooriga objektideks, ei suutnud ta selliste lainete olemuse kohta midagi öelda.
De Broglie ideid arendades jõudis E. Schrodinger mateeria täiesti lainelise olemuse ideeni, ignoreerides tegelikult selle korpuskulaarset poolt. Iga osake Schrödingeri mõistmises on omamoodi kompaktne lainepakett ja ei midagi enamat. Selle lähenemisviisi probleemiks oli eelkõige selliste lainepakettide kiire leviku tuntud nähtus. Samal ajal on osakesed, näiteks elektron, üsna stabiilsed ega "määrdu" üle ruumi.
XX sajandi 20. aastate keskpaiga tuliste arutelude käigus töötas kvantfüüsika välja lähenemisviisi, mis ühitab aine kirjeldamisel korpuskulaarsed ja lainemustrid. Teoreetiliselt põhjendas seda M. Born ja selle olemust saab mõne sõnaga väljendada järgmiselt: de Broglie laine peegeldab osakese leidmise tõenäosuse jaotust teatud ajahetkel teatud ajahetkel. Seetõttu nimetatakse seda ka tõenäosuslaineks. Matemaatiliselt kirjeldab seda Schrödingeri lainefunktsioon, mille lahendus võimaldab saada selle laine amplituudi suurust. Amplituudi mooduli ruut määrab tõenäosuse.
De Broglie lainehüpoteesi väärtus
N. Bohri ja W. Heisenbergi poolt 1927. aastal täiustatud tõenäosuslik lähenemine moodustatinn Kopenhaageni tõlgenduse alus, mis kujunes üliproduktiivseks, kuigi selle omaksvõtt anti teadusele visuaalmehhaanilistest kujundlikest mudelitest loobumise hinnaga. Vaatamata mitmete vastuoluliste probleemide olemasolule, nagu kuulus "mõõtmisprobleem", on kvantteooria edasiarendus koos selle arvukate rakendustega seotud Kopenhaageni tõlgendusega.
Siiski tuleb meeles pidada, et kaasaegse kvantfüüsika vaieldamatu edu üks aluseid oli de Broglie hiilgav hüpotees, peaaegu sajand tagasi teoreetiline ülevaade "ainelainetest". Selle olemus jääb hoolimata algse tõlgenduse muutustest vaieldamatuks: kogu mateerial on kahetine olemus, mille erinevad aspektid, mis ilmnevad alati üksteisest eraldi, on sellegipoolest omavahel tihed alt seotud.
