في عام 1924 ، قدم الفيزيائي الفرنسي الشاب لويس دي برولي مفهوم موجات المادة إلى التداول العلمي. وسع هذا الافتراض النظري الجريء خاصية ازدواجية الموجة والجسيم (الازدواجية) لتشمل جميع مظاهر المادة - ليس فقط للإشعاع ، ولكن أيضًا لأي جسيمات من المادة. وعلى الرغم من أن نظرية الكم الحديثة تفهم "موجة المادة" بشكل مختلف عن مؤلف الفرضية ، فإن هذه الظاهرة الفيزيائية المرتبطة بجزيئات المواد تحمل اسمه - موجة دي برولي.
تاريخ ولادة المفهوم
النموذج شبه الكلاسيكي للذرة الذي اقترحه ن. بور في عام 1913 كان مبنيًا على افتراضين:
- لا يمكن أن يكون الزخم الزاوي (الزخم) للإلكترون في الذرة أي شيء. يتناسب دائمًا مع nh / 2π ، حيث n هو أي عدد صحيح يبدأ من 1 ، و h هو ثابت بلانك ، ويشير وجوده في الصيغة بوضوح إلى أن الزخم الزاوي للجسيممحددة وبالتالي ، هناك مجموعة من المدارات المسموح بها في الذرة ، والتي يمكن للإلكترون فقط التحرك على طولها ، وبقائها عليها ، لا تشع ، أي لا تفقد الطاقة.
- انبعاث أو امتصاص الطاقة بواسطة إلكترون ذري يحدث أثناء الانتقال من مدار إلى آخر ، ومقداره يساوي الفرق في الطاقات المقابلة لهذه المدارات. نظرًا لعدم وجود حالات وسيطة بين المدارات المسموح بها ، يتم أيضًا تحديد كمية الإشعاع بدقة. ترددها هو (E1- E2) / h ، وهذا يتبع مباشرة من صيغة بلانك للطاقة E=hν.
إذن ، نموذج بوهر للذرة "منع" الإلكترون من الإشعاع في المدار والوجود بين المدارات ، لكن حركته كانت تعتبر كلاسيكية ، مثل ثورة كوكب حول الشمس. كان De Broglie يبحث عن إجابة لسؤال لماذا يتصرف الإلكترون بالطريقة التي يتصرف بها. هل يمكن تفسير وجود المدارات المقبولة بطريقة طبيعية؟ واقترح أن الإلكترون يجب أن يكون مصحوبًا ببعض الموجات. إن وجوده هو الذي يجعل الجسيم "يختار" فقط تلك المدارات التي تتناسب فيها هذه الموجة مع عدد صحيح من المرات. كان هذا هو معنى معامل العدد الصحيح في الصيغة التي افترضها بور.
يتبع الفرضية القائلة بأن موجة دي برولي الإلكترونية ليست كهرومغناطيسية ، ويجب أن تكون معلمات الموجة مميزة لأي جسيمات من المادة ، وليس فقط الإلكترونات في الذرة.
حساب الطول الموجي المرتبط بجسيم
حصل العالم الشاب على نسبة شيقة للغاية ، مما يسمحتحديد خصائص الموجة هذه. ما هي موجة دي برولي الكمية؟ صيغة حسابها لها شكل بسيط: λ=ح / ع. هنا λ هو الطول الموجي و p هو زخم الجسيم. بالنسبة للجسيمات غير النسبية ، يمكن كتابة هذه النسبة كـ λ=h / mv ، حيث m هي الكتلة و v هي سرعة الجسيم.
لماذا هذه الصيغة ذات أهمية خاصة يمكن رؤيتها من القيم الموجودة فيها. تمكن De Broglie من الجمع في نسبة واحدة بين الخصائص الجسدية والموجة للمادة - الزخم والطول الموجي. وثابت بلانك الذي يربط بينهما (قيمته حوالي 6.626 × 10-27erg ∙ s أو 6.626 × 10-34J ∙ c) مجموعات المقياس الذي تظهر عنده الخصائص الموجية للمادة.
"أمواج المادة" في العالم الصغير والماكرو
لذلك ، كلما زاد الزخم (الكتلة والسرعة) لجسم مادي ، كلما كان الطول الموجي المرتبط به أقصر. هذا هو السبب في أن الأجسام العيانية لا تظهر المكون الموجي لطبيعتها. كتوضيح ، يكفي تحديد الطول الموجي لـ De Broglie للأجسام ذات المقاييس المختلفة.
- الأرض. تبلغ كتلة كوكبنا حوالي 6 × 1024كجم ، والسرعة المدارية بالنسبة للشمس هي 3 × 104م / ث. باستبدال هذه القيم في الصيغة ، نحصل على (تقريبًا): 6 ، 6 × 10-34/ (6 × 1024× 3 × 10 4 )=3.6 × 10-63م ويمكن ملاحظة أن طول "موجة الأرض" هو قيمة صغيرة متلاشية. لأية إمكانية لتسجيلها لا يوجد حتىالمباني النظرية البعيدة.
- بكتيريا تزن حوالي 10-11كجم ، وتتحرك بسرعة حوالي 10-4م / ث. بعد إجراء عملية حسابية مماثلة ، يمكن للمرء أن يكتشف أن موجة دي برولي لأحد أصغر الكائنات الحية يبلغ طولها 10-19م - وهي أيضًا صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها
- إلكترون كتلته 9.1 × 10-31kg. دع الإلكترون يتسارع بفرق جهد قدره 1 فولت إلى سرعة 10 6م / ث. بعد ذلك ، سيكون الطول الموجي لموجة الإلكترون حوالي 7 × 10-10م ، أو 0.7 نانومتر ، وهو ما يمكن مقارنته بأطوال موجات الأشعة السينية وقابل للتسجيل تمامًا.
كتلة الإلكترون ، مثل الجسيمات الأخرى ، صغيرة جدًا وغير محسوسة ، بحيث يصبح الجانب الآخر من طبيعتها ملحوظًا - تشبه الموجة.
معدل الانتشار
فرق بين مفاهيم مثل سرعة الطور ومجموعة الموجات. المرحلة (سرعة حركة سطح الأطوار المتطابقة) لموجات دي بروي تتجاوز سرعة الضوء. هذه الحقيقة ، مع ذلك ، لا تعني تناقضًا مع نظرية النسبية ، لأن المرحلة ليست من الأشياء التي يمكن من خلالها نقل المعلومات ، وبالتالي فإن مبدأ السببية في هذه الحالة لا يتم انتهاكه بأي شكل من الأشكال.
سرعة المجموعة أقل من سرعة الضوء ، فهي مرتبطة بحركة تراكب (تراكب) للعديد من الموجات المتكونة بسبب التشتت ، وهي التي تعكس سرعة الإلكترون أو أي سرعة أخرى. الجسيم الذي ترتبط به الموجة
اكتشاف تجريبي
سمح حجم الطول الموجي لـ de Broglie للفيزيائيين بإجراء تجارب تؤكد الافتراضات المتعلقة بخصائص الموجة للمادة. يمكن أن تكون الإجابة على السؤال حول ما إذا كانت موجات الإلكترون حقيقية تجربة للكشف عن حيود تيار من هذه الجسيمات. بالنسبة للأشعة السينية القريبة من الإلكترونات في الطول الموجي ، فإن محزوز الحيود المعتاد غير مناسب - فدورته (أي المسافة بين السكتات الدماغية) كبيرة جدًا. العقد الذرية للشبكات البلورية لها حجم فترة مناسب.
بالفعل في عام 1927 ، قام K. Davisson و L. Germer بإعداد تجربة للكشف عن حيود الإلكترون. تم استخدام بلورة أحادية من النيكل كشبكة عاكسة ، وتم تسجيل شدة تشتت حزمة الإلكترون بزوايا مختلفة باستخدام مقياس الجلفانومتر. كشفت طبيعة التشتت عن نمط حيود واضح ، وهو ما أكد افتراض دي برولي. بشكل مستقل عن دافيسون وجيرمر ، اكتشف جي بي طومسون تجريبيًا حيود الإلكترون في نفس العام. بعد ذلك بقليل ، ظهر نمط الحيود لحزم البروتونات والنيوترون والذرية.
في عام 1949 ، أجرت مجموعة من الفيزيائيين السوفييت بقيادة فابريكانت تجربة ناجحة باستخدام الإلكترونات الفردية ، وليس الحزمة ، مما جعل من الممكن إثبات أن الانعراج ليس أي تأثير للسلوك الجماعي للجسيمات. ، وخصائص الموجة تنتمي إلى الإلكترون على هذا النحو.
تطوير أفكار حول "موجات المادة"
تخيل إل دي برولي الموجة على أنهاكائن مادي حقيقي ، يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالجسيم ويتحكم في حركته ، ويطلق عليه "الموجة الدليلية". ومع ذلك ، بينما استمر في اعتبار الجسيمات ككائنات ذات مسارات كلاسيكية ، لم يكن قادرًا على قول أي شيء عن طبيعة هذه الموجات.
تطوير أفكار de Broglie ، جاء E. Schrodinger إلى فكرة الطبيعة الموجية تمامًا للمادة ، في الواقع ، متجاهلة جانبها الجسدي. أي جسيم في فهم شرودنغر هو نوع من الحزمة الموجية المدمجة ولا شيء أكثر من ذلك. كانت مشكلة هذا النهج ، على وجه الخصوص ، الظاهرة المعروفة للانتشار السريع لهذه الحزم الموجية. في الوقت نفسه ، تكون الجسيمات ، مثل الإلكترون ، مستقرة تمامًا ولا "تشوه" في الفضاء.
خلال المناقشات الساخنة في منتصف العشرينات من القرن العشرين ، طورت فيزياء الكم منهجًا يوفق بين الأنماط الجسدية والموجة في وصف المادة. من الناحية النظرية ، تم إثباته بواسطة M. Born ، ويمكن التعبير عن جوهره ببضع كلمات على النحو التالي: تعكس موجة de Broglie توزيع احتمالية العثور على جسيم في نقطة معينة في وقت ما. لذلك ، تسمى أيضًا الموجة الاحتمالية. رياضياً ، يتم وصفها بواسطة دالة موجة شرودنغر ، التي يتيح حلها الحصول على مقدار اتساع هذه الموجة. مربع مقياس السعة يحدد الاحتمال.
قيمة فرضية الموجة لـ de Broglie
تشكل النهج الاحتمالي ، الذي تم تحسينه بواسطة N. Bohr و W. Heisenberg في عام 1927أساس ما يسمى بتفسير كوبنهاجن ، والذي أصبح مثمرًا للغاية ، على الرغم من اعتماده للعلم على حساب التخلي عن النماذج التصويرية والميكانيكية البصرية. على الرغم من وجود عدد من القضايا المثيرة للجدل ، مثل "مشكلة القياس" الشهيرة ، فإن التطوير الإضافي لنظرية الكم مع تطبيقاتها العديدة يرتبط بتفسير كوبنهاجن.
في غضون ذلك ، يجب أن نتذكر أن أحد أسس النجاح غير القابل للجدل لفيزياء الكم الحديثة كانت فرضية دي بروجلي الرائعة ، وهي نظرة نظرية حول "موجات المادة" منذ قرن تقريبًا. جوهرها ، على الرغم من التغييرات في التفسير الأصلي ، لا يزال لا يمكن إنكاره: كل مادة لها طبيعة مزدوجة ، ومع ذلك ، فإن جوانبها المختلفة ، التي تظهر دائمًا بشكل منفصل عن بعضها البعض ، مترابطة بشكل وثيق.
