Mnamo 1924, mwanafizikia mchanga wa Kifaransa Louis de Broglie alianzisha dhana ya mawimbi ya mada katika mzunguko wa kisayansi. Dhana hii ya kinadharia ya ujasiri ilipanua mali ya uwili wa chembe ya wimbi (uwili) kwa udhihirisho wote wa suala - sio tu kwa mionzi, bali pia kwa chembe yoyote ya suala. Na ingawa nadharia ya kisasa ya quantum inaelewa "wimbi la maada" tofauti na mwandishi wa nadharia, jambo hili halisi linalohusishwa na chembe za nyenzo lina jina lake - wimbi la de Broglie.
Historia ya kuzaliwa kwa dhana
Muundo wa nusu-classic wa atomi uliopendekezwa na N. Bohr mwaka wa 1913 ulitokana na machapisho mawili:
- Kasi ya angular (kasi) ya elektroni katika atomi haiwezi kuwa chochote. Daima ni sawia na nh/2π, ambapo n ni nambari yoyote kuanzia 1, na h ni ya mara kwa mara ya Planck, uwepo ambao katika fomula unaonyesha wazi kwamba kasi ya angular ya chembe.quantized Kwa hivyo, kuna seti ya obiti zinazoruhusiwa kwenye atomi, ambayo elektroni pekee inaweza kusonga, na, ikikaa juu yao, haitoi, ambayo ni, haipotezi nishati.
- Utoaji au ufyonzwaji wa nishati kwa elektroni ya atomiki hutokea wakati wa mpito kutoka obiti moja hadi nyingine, na kiasi chake ni sawa na tofauti katika nishati zinazolingana na obiti hizi. Kwa kuwa hakuna majimbo ya kati kati ya obiti zinazoruhusiwa, mionzi pia inakadiriwa madhubuti. Masafa yake ni (E1 – E2)/h, hii inafuata moja kwa moja kutoka kwa fomula ya Planck ya nishati E=hν.
Kwa hivyo, mfano wa Bohr wa atomi "ulikataza" elektroni kuangazia katika obiti na kuwa kati ya mizunguko, lakini mwendo wake ulizingatiwa kimsingi, kama mapinduzi ya sayari kuzunguka Jua. De Broglie alikuwa akitafuta jibu la swali kwa nini elektroni hufanya kama inavyofanya. Je, inawezekana kueleza kuwepo kwa obiti zinazokubalika kwa njia ya asili? Alipendekeza kwamba elektroni lazima iambatane na wimbi fulani. Ni uwepo wake ambao hufanya chembe "kuchagua" tu njia hizo ambazo wimbi hili linalingana na idadi kamili ya nyakati. Hii ndio ilikuwa maana ya kihesabu kamili katika fomula iliyochapishwa na Bohr.
Ilifuata kutokana na dhana kwamba wimbi la elektroni la de Broglie si la sumakuumeme, na vigezo vya mawimbi vinapaswa kuwa tabia ya chembe zozote za mada, na si elektroni katika atomi pekee.
Kukokotoa urefu wa wimbi unaohusishwa na chembe
Mwanasayansi mchanga alipata uwiano wa kuvutia sana, ambao unamruhusukuamua mali hizi za wimbi ni nini. Je, wimbi la de Broglie ni kiasi gani? Fomu ya hesabu yake ina fomu rahisi: λ=h/p. Hapa λ ni urefu wa wimbi na p ni kasi ya chembe. Kwa chembe zisizohusiana, uwiano huu unaweza kuandikwa kama λ=h/mv, ambapo m ni wingi na v ni kasi ya chembe.
Kwa nini fomula hii inavutia sana inaweza kuonekana kutokana na thamani zilizomo. De Broglie aliweza kuchanganya kwa uwiano mmoja sifa za corpuscular na wimbi la jambo - kasi na urefu wa wimbi. Na Planck inayoziunganisha mara kwa mara (thamani yake ni takriban 6.626 × 10-27 erg∙s au 6.626 × 10-34 J∙ c) kipimo ambacho sifa za wimbi za maada huonekana.
"Waves of matter" katika ulimwengu mdogo na mkubwa
Kwa hivyo, kadri kasi (wingi, kasi) ya kitu halisi inavyoongezeka, ndivyo urefu wa wimbi unaohusishwa nayo unavyopungua. Hii ndiyo sababu miili ya macroscopic haionyeshi sehemu ya wimbi la asili yao. Kama kielelezo, itatosha kubainisha urefu wa mawimbi wa de Broglie kwa vitu vya mizani mbalimbali.
- Dunia. Uzito wa sayari yetu ni takriban kilo 6 × 1024, kasi ya obiti inayohusiana na Jua ni 3 × 104 m/s. Kubadilisha maadili haya kwenye fomula, tunapata (takriban): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3.6 × 10-63 m. Inaweza kuonekana kuwa urefu wa "wimbi la dunia" ni thamani ndogo inayotoweka.. Kwa uwezekano wowote wa usajili wake hakuna hatamajengo ya mbali ya kinadharia.
- Bakteria yenye uzito wa takriban kilo 10-11, inasonga kwa kasi ya takriban 10-4 m/s. Baada ya kufanya hesabu kama hiyo, mtu anaweza kugundua kuwa wimbi la de Broglie la mmoja wa viumbe hai wadogo lina urefu wa mpangilio wa 10-19 m - pia ni ndogo sana kugunduliwa..
- Elektroni yenye uzito wa kilo 9.1 × 10-31 kilo. Acha elektroni iongezeke kasi kwa tofauti inayoweza kutokea ya V 1 hadi kasi ya 106 m/s. Kisha urefu wa wimbi la elektroni utakuwa takriban 7 × 10-10 m, au nanomita 0.7, ambayo inaweza kulinganishwa na urefu wa mawimbi ya X-ray na inayoweza kusajiliwa kabisa.
Uzito wa elektroni, kama chembe nyingine, ni ndogo sana, haionekani, hivi kwamba upande mwingine wa asili yake unaonekana - kama mawimbi.
Kiwango cha uenezi
Toa tofauti kati ya dhana kama awamu na kasi ya kikundi ya mawimbi. Awamu (kasi ya harakati ya uso wa awamu zinazofanana) kwa mawimbi ya de Broglie huzidi kasi ya mwanga. Ukweli huu, hata hivyo, haimaanishi kupingana na nadharia ya uhusiano, kwa kuwa awamu sio moja ya vitu ambavyo habari inaweza kupitishwa, kwa hivyo kanuni ya causality katika kesi hii haivunjwa kwa njia yoyote.
Kasi ya kundi ni ndogo kuliko kasi ya mwanga, inahusishwa na mwendo wa nafasi ya juu (superposition) ya mawimbi mengi yanayoundwa kutokana na mtawanyiko, na ndiye anayeakisi kasi ya elektroni au nyingine yoyote. chembe ambayo wimbi linahusishwa.
Ugunduzi wa majaribio
Ukubwa wa mawimbi ya de Broglie uliwaruhusu wanafizikia kufanya majaribio ya kuthibitisha dhana kuhusu sifa za mawimbi ya mata. Jibu la swali la ikiwa mawimbi ya elektroni ni halisi linaweza kuwa jaribio la kugundua mgawanyiko wa mkondo wa chembe hizi. Kwa X-rays karibu na urefu wa wimbi kwa elektroni, grating ya kawaida ya diffraction haifai - kipindi chake (yaani, umbali kati ya viboko) ni kubwa sana. Nodi za atomiki za lati za fuwele zina ukubwa wa kipindi unaofaa.
Tayari mnamo 1927, K. Davisson na L. Germer waliunda jaribio la kugundua mtengano wa elektroni. Fuwele moja ya nikeli ilitumika kama wavu wa kuakisi, na ukubwa wa boriti ya elektroni kutawanyika katika pembe tofauti ulirekodiwa kwa kutumia galvanometer. Asili ya mtawanyiko ilifichua muundo wazi wa mgawanyiko, ambao ulithibitisha dhana ya de Broglie. Kwa kujitegemea Davisson na Germer, J. P. Thomson aligundua tofauti za elektroni kwa majaribio katika mwaka huo huo. Baadaye kidogo, mwonekano wa muundo wa mtengano ulianzishwa kwa protoni, neutroni, na miale ya atomiki.
Mnamo mwaka wa 1949, kikundi cha wanafizikia wa Kisovieti wakiongozwa na V. Fabrikant walifanya jaribio lililofaulu kwa kutumia si boriti, bali elektroni za kibinafsi, ambalo lilifanya iwezekane kuthibitisha bila kukanusha kwamba mtengano si athari yoyote ya tabia ya pamoja ya chembe., na sifa za wimbi ni za elektroni kama hivyo.
Maendeleo ya mawazo kuhusu "waves of matter"
L. de Broglie mwenyewe aliwazia wimbi hilo kamakitu halisi cha kimwili, kilichounganishwa bila usawa na chembe na kudhibiti harakati zake, na kuiita "wimbi la majaribio". Hata hivyo, alipokuwa akiendelea kuzingatia chembechembe kama vitu vilivyo na njia za kitamaduni, hakuweza kusema lolote kuhusu asili ya mawimbi hayo.
Kukuza mawazo ya de Broglie, E. Schrodinger alikuja kwenye wazo la asili ya wimbi kabisa la mata, kwa kweli, kupuuza upande wake wa mwili. Chembe yoyote katika ufahamu wa Schrödinger ni aina ya pakiti ya wimbi la kompakt na hakuna zaidi. Tatizo la njia hii lilikuwa, hasa, jambo linalojulikana la kuenea kwa kasi kwa pakiti hizo za wimbi. Wakati huo huo, chembe, kama vile elektroni, ni dhabiti kabisa na hazi "paka" juu ya nafasi.
Wakati wa mijadala mikali ya katikati ya miaka ya 20 ya karne ya XX, fizikia ya quantum ilibuni mkabala unaopatanisha mifumo ya mwili na mawimbi katika maelezo ya mada. Kinadharia, ilithibitishwa na M. Born, na kiini chake kinaweza kuonyeshwa kwa maneno machache kama ifuatavyo: wimbi la de Broglie linaonyesha usambazaji wa uwezekano wa kupata chembe kwa wakati fulani kwa wakati fulani. Kwa hiyo, pia inaitwa wimbi la uwezekano. Kwa hisabati, inaelezewa na kazi ya wimbi la Schrödinger, suluhisho la ambayo inafanya uwezekano wa kupata ukubwa wa amplitude ya wimbi hili. Mraba wa moduli ya amplitudo huamua uwezekano.
Thamani ya nadharia tete ya wimbi la de Broglie
Mbinu ya uwezekano, iliyoboreshwa na N. Bohr na W. Heisenberg mnamo 1927, iliundwamsingi wa kinachojulikana kama tafsiri ya Copenhagen, ambayo ilikua yenye tija sana, ingawa kupitishwa kwake kulitolewa kwa sayansi kwa gharama ya kuachana na mifano ya kuona-utaratibu, ya mfano. Licha ya kuwepo kwa masuala kadhaa yenye utata, kama vile "tatizo la kipimo" maarufu, maendeleo zaidi ya nadharia ya quantum pamoja na matumizi yake mengi yanahusishwa na tafsiri ya Copenhagen.
Wakati huohuo, ikumbukwe kwamba mojawapo ya misingi ya mafanikio yasiyopingika ya fizikia ya kisasa ya quantum ilikuwa hypothesis bora ya de Broglie, maarifa ya kinadharia kuhusu "matter waves" karibu karne moja iliyopita. Asili yake, licha ya mabadiliko katika tafsiri ya asili, inabaki kuwa isiyoweza kukanushwa: maada yote ina asili ya pande mbili, vipengele mbalimbali ambavyo, kila mara vinaonekana tofauti na vingine, hata hivyo vinaunganishwa kwa karibu.
