Năm 1924, nhà vật lý lý thuyết trẻ người Pháp Louis de Broglie đã đưa khái niệm sóng vật chất vào tuần hoàn khoa học. Giả thiết lý thuyết táo bạo này đã mở rộng tính chất của đối ngẫu sóng-hạt (đối ngẫu) cho tất cả các biểu hiện của vật chất - không chỉ đối với bức xạ, mà còn đối với bất kỳ hạt vật chất nào. Và mặc dù lý thuyết lượng tử hiện đại hiểu “sóng vật chất” khác với tác giả của giả thuyết, hiện tượng vật lý liên quan đến các hạt vật chất này mang tên của ông - sóng de Broglie.
Lịch sử ra đời của khái niệm
Mô hình bán thủy tinh của nguyên tử do N. Bohr đề xuất năm 1913 dựa trên hai định đề:
- Mômen động lượng (động lượng) của electron trong nguyên tử không thể là bất cứ thứ gì. Nó luôn tỷ lệ với nh / 2π, trong đó n là bất kỳ số nguyên nào bắt đầu từ 1, và h là hằng số Planck, sự có mặt của hằng số này trong công thức chỉ rõ rằng momen động lượng của hạtlượng tử hóa Do đó, có một tập hợp các quỹ đạo cho phép trong nguyên tử, cùng với đó, chỉ electron có thể di chuyển và ở trên chúng, nó không bức xạ, tức là không mất năng lượng.
- Sự phát xạ hoặc hấp thụ năng lượng của một electron nguyên tử xảy ra trong quá trình chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác, và lượng của nó bằng sự chênh lệch về năng lượng tương ứng với các quỹ đạo này. Vì không có trạng thái trung gian giữa các quỹ đạo cho phép, bức xạ cũng được lượng tử hóa một cách nghiêm ngặt. Tần số của nó là (E1- E2) / h, điều này trực tiếp theo công thức Planck cho năng lượng E=hν.
Vì vậy, mô hình nguyên tử của Bohr đã "cấm" electron bức xạ trong quỹ đạo và ở giữa các quỹ đạo, nhưng chuyển động của nó được coi là kinh điển, giống như cuộc cách mạng của một hành tinh xung quanh Mặt trời. De Broglie đang tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi tại sao electron lại hoạt động theo cách của nó. Có thể giải thích sự hiện diện của quỹ đạo chấp nhận được theo cách tự nhiên không? Ông gợi ý rằng electron phải đi kèm với một số sóng. Chính sự hiện diện của nó làm cho hạt chỉ "chọn" những quỹ đạo mà sóng này phù hợp với một số nguyên lần. Đây là ý nghĩa của hệ số nguyên trong công thức được Bohr công nhận.
Theo giả thuyết rằng sóng điện tử de Broglie không phải là sóng điện từ, và các thông số sóng phải là đặc trưng của bất kỳ hạt vật chất nào, chứ không chỉ các điện tử trong nguyên tử.
Tính bước sóng liên kết với một hạt
Nhà khoa học trẻ có một tỷ lệ cực kỳ thú vị, cho phépxác định những tính chất sóng này là gì. Sóng de Broglie định lượng là gì? Công thức tính nó có dạng đơn giản: λ=h / p. Ở đây λ là bước sóng và p là động lượng của hạt. Đối với các hạt phi tương quan, tỷ lệ này có thể được viết dưới dạng λ=h / mv, trong đó m là khối lượng và v là vận tốc của hạt.
Tại sao công thức này được quan tâm đặc biệt có thể được nhìn thấy từ các giá trị trong đó. De Broglie đã cố gắng kết hợp theo một tỷ lệ các đặc tính sóng và tiểu thể của vật chất - động lượng và bước sóng. Và hằng số Planck kết nối chúng (giá trị của nó xấp xỉ 6,626 × 10-27erg ∙ s hoặc 6,626 × 10-34J ∙ c) thang đo mà tại đó đặc tính sóng của vật chất xuất hiện.
"Sóng vật chất" trong thế giới vi mô và đại thể
Vì vậy, động lượng (khối lượng, tốc độ) của một vật thể càng lớn thì bước sóng liên quan đến nó càng ngắn. Đây là lý do tại sao các vật thể vĩ mô không hiển thị thành phần sóng trong bản chất của chúng. Như một hình minh họa, chỉ cần xác định bước sóng de Broglie cho các đối tượng có quy mô khác nhau là đủ.
- Trái đất. Khối lượng của hành tinh chúng ta là khoảng 6 × 1024kg, tốc độ quỹ đạo so với Mặt trời là 3 × 104m / s. Thay các giá trị này vào công thức, chúng ta nhận được (khoảng): 6, 6 × 10-34/ (6 × 1024× 3 × 10 4 )=3.6 × 10-63m. Có thể thấy rằng độ dài của "sóng đất" là một giá trị nhỏ vô cùng. Đối với bất kỳ khả năng đăng ký của nó thậm chí không cócơ sở lý thuyết từ xa.
- Một vi khuẩn nặng khoảng 10-11kg, di chuyển với tốc độ khoảng 10-4m / s. Sau khi thực hiện một phép tính tương tự, người ta có thể phát hiện ra rằng sóng de Broglie của một trong những sinh vật nhỏ nhất có độ dài theo thứ tự là 10-19m - cũng quá nhỏ để có thể phát hiện được.
- Một electron có khối lượng 9,1 × 10-31kg. Cho một êlectron được gia tốc bằng hiệu điện thế 1 V đến tốc độ 106m / s. Khi đó bước sóng của sóng điện tử sẽ xấp xỉ 7 × 10-10m, hoặc 0,7 nanomet, có thể so sánh với độ dài của sóng tia X và khá phù hợp để đăng ký.
Khối lượng của một electron, giống như các hạt khác, rất nhỏ, không thể nhận thấy, đến nỗi mặt khác của bản chất của chúng trở nên dễ nhận thấy - mỏng manh như nhau.
Tỷ lệ lan truyền
Phân biệt giữa các khái niệm như pha và vận tốc nhóm của sóng. Pha (tốc độ chuyển động của bề mặt của các pha giống hệt nhau) đối với sóng de Broglie vượt quá tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, thực tế này không có nghĩa là mâu thuẫn với lý thuyết tương đối, vì pha không phải là một trong những đối tượng mà thông tin có thể được truyền qua, vì vậy nguyên tắc nhân quả trong trường hợp này không bị vi phạm theo bất kỳ cách nào.
Tốc độ nhóm nhỏ hơn tốc độ ánh sáng, nó liên quan đến sự chuyển động của sự chồng chất (chồng chất) của nhiều sóng được hình thành do sự phân tán, và chính cô ấy là người phản ánh tốc độ của một electron hay bất kỳ sóng nào khác hạt mà sóng liên quan.
Khám phá thử nghiệm
Độ lớn của bước sóng de Broglie cho phép các nhà vật lý thực hiện các thí nghiệm xác nhận giả thiết về tính chất sóng của vật chất. Câu trả lời cho câu hỏi liệu sóng điện tử có thật hay không có thể là một thí nghiệm để phát hiện sự nhiễu xạ của một dòng các hạt này. Đối với tia X có bước sóng gần với các electron, cách tử nhiễu xạ thông thường là không phù hợp - chu kỳ của nó (nghĩa là khoảng cách giữa các nét) quá lớn. Các nút nguyên tử của mạng tinh thể có kích thước chu kỳ phù hợp.
Ngay vào năm 1927, K. Davisson và L. Germer đã thiết lập một thí nghiệm để phát hiện nhiễu xạ điện tử. Một đơn tinh thể niken được sử dụng làm cách tử phản xạ, và cường độ của chùm tia điện tử tán xạ ở các góc khác nhau được ghi lại bằng điện kế. Bản chất của hiện tượng tán xạ tiết lộ một mẫu nhiễu xạ rõ ràng, điều này đã xác nhận giả thiết của de Broglie. Không phụ thuộc vào Davisson và Germer, J. P. Thomson đã thực nghiệm phát hiện ra nhiễu xạ điện tử trong cùng năm. Một thời gian sau, sự xuất hiện của mẫu nhiễu xạ được thiết lập cho các chùm proton, neutron và nguyên tử.
Năm 1949, một nhóm các nhà vật lý Liên Xô do V. Fabrikant dẫn đầu đã tiến hành một thí nghiệm thành công không sử dụng chùm tia mà là các electron riêng lẻ, điều này có thể chứng minh không thể chối cãi rằng nhiễu xạ không phải là bất kỳ ảnh hưởng nào của hành vi chung của các hạt., và các tính chất sóng thuộc về electron như vậy.
Phát triển ý tưởng về "sóng vật chất"
L. de Broglie tự mình tưởng tượng làn sóng nhưmột đối tượng vật lý thực, liên kết chặt chẽ với một hạt và điều khiển chuyển động của nó, và gọi nó là "sóng hoa tiêu". Tuy nhiên, trong khi tiếp tục coi các hạt là vật thể có quỹ đạo cổ điển, ông không thể nói gì về bản chất của những sóng như vậy.
Phát triển ý tưởng của de Broglie, E. Schrodinger đã đi đến ý tưởng về bản chất hoàn toàn sóng của vật chất, trên thực tế, bỏ qua mặt vật chất của nó. Bất kỳ hạt nào theo cách hiểu của Schrödinger đều là một loại gói sóng nhỏ gọn và không hơn thế nữa. Đặc biệt, vấn đề của phương pháp này là hiện tượng nổi tiếng về sự lan truyền nhanh chóng của các gói sóng như vậy. Đồng thời, các hạt, chẳng hạn như một electron, khá ổn định và không bị "bôi bẩn" trong không gian.
Trong các cuộc thảo luận sôi nổi vào giữa những năm 20 của thế kỷ XX, vật lý lượng tử đã phát triển một phương pháp dung hòa các mô hình vật chất và sóng trong mô tả vật chất. Về mặt lý thuyết, nó đã được M. Born chứng minh, và bản chất của nó có thể được diễn đạt bằng một vài từ như sau: sóng de Broglie phản ánh sự phân bố của xác suất tìm thấy một hạt tại một thời điểm nhất định tại một thời điểm nào đó. Do đó, nó còn được gọi là sóng xác suất. Về mặt toán học, nó được mô tả bằng hàm sóng Schrödinger, giải pháp của hàm này giúp ta có thể thu được độ lớn của biên độ của sóng này. Bình phương của môđun của biên độ xác định xác suất.
Giá trị của giả thuyết sóng của de Broglie
Phương pháp xác suất, được N. Bohr và W. Heisenberg cải tiến vào năm 1927, hình thànhcơ sở của cái gọi là cách giải thích Copenhagen, đã trở nên vô cùng hiệu quả, mặc dù việc áp dụng nó đã được trao cho khoa học với cái giá phải trả là từ bỏ các mô hình trực quan-cơ học, tượng hình. Bất chấp sự hiện diện của một số vấn đề gây tranh cãi, chẳng hạn như "vấn đề đo lường" nổi tiếng, sự phát triển hơn nữa của lý thuyết lượng tử với nhiều ứng dụng của nó gắn liền với cách giải thích Copenhagen.
Trong khi đó, cần nhớ rằng một trong những nền tảng của sự thành công không thể chối cãi của vật lý lượng tử hiện đại là giả thuyết xuất sắc của de Broglie, một cái nhìn lý thuyết về "sóng vật chất" gần một thế kỷ trước. Bản chất của nó, bất chấp những thay đổi trong cách giải thích ban đầu, vẫn không thể phủ nhận: tất cả vật chất đều có bản chất kép, các khía cạnh khác nhau của chúng, luôn xuất hiện tách biệt với nhau, tuy nhiên lại có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
