Godine 1924. mladi francuski teorijski fizičar Louis de Broglie uveo je koncept valova materije u znanstveni promet. Ova hrabra teorijska pretpostavka proširila je svojstvo dualnosti val-čestica (dualnost) na sve manifestacije materije - ne samo na zračenje, već i na sve čestice materije. I premda moderna kvantna teorija razumije "val materije" drugačije od autora hipoteze, ovaj fizički fenomen povezan s materijalnim česticama nosi njegovo ime - de Broglieov val.
Povijest rođenja koncepta
Poluklasični model atoma koji je predložio N. Bohr 1913. temeljio se na dva postulata:
- Kutni 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 Planckova konstanta, čija prisutnost u formuli jasno ukazuje da je kutni moment česticekvantizirana Posljedično, u atomu postoji skup dopuštenih orbita po kojima se samo elektron može kretati, a zadržavajući se na njima ne zrači, odnosno ne gubi energiju.
- Emisija ili apsorpcija energije atomskim elektronom događa se tijekom prijelaza iz jedne orbite u drugu, a njezina količina je jednaka razlici energija koja odgovara tim orbitama. Budući da između dopuštenih orbita nema međustanja, zračenje je također strogo kvantizirano. Njegova frekvencija je (E1 – E2)/h, ovo izravno slijedi iz Planckove formule za energiju E=hν.
Dakle, Bohrov model atoma je "zabranio" elektronu da zrači u orbiti i da bude između orbita, ali se njegovo kretanje smatralo klasično, poput revolucije planeta oko Sunca. De Broglie je tražio odgovor na pitanje zašto se elektron ponaša na način na koji se ponaša. Je li moguće objasniti prisutnost dopuštenih orbita na prirodan način? Predložio je da elektron mora biti popraćen nekim valom. Upravo njegova prisutnost čini česticu da "izabere" samo one orbite na koje ovaj val stane cijeli broj puta. To je bilo značenje cjelobrojnog koeficijenta u formuli koju je postulirao Bohr.
Iz hipoteze je proizlazilo da de Broglieov elektronski val nije elektromagnetski, a parametri vala bi trebali biti karakteristični za sve čestice materije, a ne samo za elektrone u atomu.
Izračunavanje valne duljine povezane s česticom
Mladi znanstvenik dobio je izuzetno zanimljiv omjer, što dopuštaodrediti koja su ta valna svojstva. Što je kvantitativni de Broglieov val? Formula za njegov izračun ima jednostavan oblik: λ=h/p. Ovdje je λ valna duljina, a p je impuls čestice. Za nerelativističke čestice, ovaj omjer se može zapisati 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 – zamah i valnu duljinu. I Planckova 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.
"Valovi materije" u mikro- i makrosvijetu
Dakle, što je veći zamah (masa, brzina) fizičkog objekta, to je valna duljina povezana s njim kraća. To je razlog zašto makroskopska tijela ne pokazuju valnu komponentu svoje prirode. Kao ilustraciju, bit će dovoljno odrediti de Broglieovu valnu duljinu za objekte različitih razmjera.
- Zemlja. Masa našeg planeta je oko 6 × 1024 kg, orbitalna brzina u odnosu na Sunce je 3 × 104 m/s. Zamjenom ovih vrijednosti u formulu, dobivamo (približno): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Može se vidjeti da je duljina "zemaljskog vala" nestajuća mala vrijednost. Nikakve mogućnosti njegove registracije ne postoji nitiudaljene teorijske premise.
- Bakterija težine oko 10-11 kg, koja se kreće brzinom od oko 10-4 m/s. Napravivši sličan izračun, može se otkriti da de Broglieov val jednog od najmanjih živih bića ima duljinu reda veličine 10-19 m - također premalen da bi se mogao otkriti.
- Elektron mase 9,1 × 10-31 kg. Neka se elektron ubrza razlikom potencijala od 1 V do brzine od 106 m/s. Tada će valna duljina elektronskog vala biti približno 7 × 10-10 m, ili 0,7 nanometara, što je usporedivo s duljinama rendgenskih valova i prilično podložno registraciji.
Masa elektrona, kao i drugih čestica, toliko je mala, neprimjetna da postaje vidljiva druga strana njihove prirode - valovita.
Stopa širenja
Razlikujte koncepte kao što su fazna i grupna brzina valova. Faza (brzina kretanja površine identičnih faza) za de Broglieove valove premašuje brzinu svjetlosti. Ova činjenica, međutim, ne znači kontradikciju s teorijom relativnosti, budući da faza nije jedan od objekata preko kojih se informacije mogu prenositi, pa se načelo 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 Broglieove valne duljine omogućila je fizičarima da provode eksperimente koji potvrđuju pretpostavku o valnim svojstvima materije. Odgovor na pitanje jesu li elektronski valovi stvarni mogao bi biti eksperiment za otkrivanje difrakcije struje tih čestica. Za X-zrake bliske valne duljine elektronima, uobičajena difrakcijska rešetka nije prikladna - njezin je period (odnosno udaljenost između poteza) prevelik. Atomski čvorovi kristalne rešetke imaju prikladnu veličinu razdoblja.
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 raspršenja elektronske zrake pod različitim kutovima. Priroda raspršenja otkrila je jasan uzorak difrakcije, što je potvrdilo de Broglieovu pretpostavku. Neovisno o Davissonu i Germeru, J. P. Thomson je eksperimentalno otkrio difrakciju elektrona iste godine. Nešto kasnije ustanovljen je izgled difrakcijskog uzorka za protonske, neutronske i atomske zrake.
Godine 1949. grupa sovjetskih fizičara pod vodstvom V. Fabrikanta provela je uspješan eksperiment koristeći ne snop, već pojedinačne elektrone, što je omogućilo nepobitno dokazati da difrakcija nije nikakav učinak kolektivnog ponašanja čestica, a valna svojstva pripadaju elektronu kao takvom.
Razvoj ideja o "valovima materije"
L. de Broglie sam je zamišljao val kaopravi fizički objekt, neraskidivo povezan s česticom i kontrolira njezino kretanje, a nazvao ga je "pilot val". Međutim, dok je nastavio smatrati čestice objektima s klasičnim putanjama, nije mogao ništa reći o prirodi takvih valova.
Razvijajući ideje de Brogliea, E. Schrodinger je došao do ideje o potpuno valovitoj prirodi materije, zapravo zanemarujući njezinu korpuskularnu stranu. Svaka čestica u Schrödingerovom shvaćanju je neka vrsta kompaktnog valnog paketa i ništa više. Problem ovog pristupa bio je, posebice, dobro poznati fenomen brzog širenja takvih valnih paketa. U isto vrijeme, čestice, poput elektrona, prilično su stabilne i ne "razmazuju se" po prostoru.
Tijekom žučnih rasprava sredinom 20-ih godina XX. stoljeća, kvantna fizika razvila je pristup koji pomiruje korpuskularne i valne obrasce u opisu materije. Teoretski ga je potkrijepio M. Born, a njegova se bit može izraziti u nekoliko riječi na sljedeći način: de Broglieov val odražava raspodjelu vjerojatnosti pronalaska čestice u određenoj točki u nekom trenutku vremena. Stoga se naziva i val vjerojatnosti. Matematički je opisan pomoću Schrödingerove valne funkcije, čije rješenje omogućuje dobivanje veličine amplitude ovog vala. Kvadrat modula amplitude određuje vjerojatnost.
Vrijednost de Broglieove hipoteze o valovima
Projebabilistički pristup, koji su poboljšali N. Bohr i W. Heisenberg 1927., formirao jetemelj takozvane kopenhaške interpretacije, koja je postala iznimno produktivna, iako je njezino usvajanje dano znanosti po cijenu napuštanja vizualno-mehaničkih, figurativnih modela. Unatoč prisutnosti brojnih kontroverznih pitanja, poput poznatog "problema mjerenja", daljnji razvoj kvantne teorije s njezinim 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 "valovima materije" prije gotovo jednog stoljeća. Njegova bit, unatoč promjenama u izvornom tumačenju, ostaje neporeciva: sva materija ima dvojaku prirodu, čiji su različiti aspekti, koji se uvijek pojavljuju odvojeno jedan od drugog, ipak usko povezani.
