Электронные волны де Бройля

«Де Бройль был первым, кто осознал тесную физическую и формальную взаимосвязь между квантовыми состояниями материи и явлениями резонанса еще в те времена, когда волновая природа материи не была открыта экспериментально.»
Альберт Эйнштейн

Если кванты света могут себя вести и как волна, и как частица, то могут ли подобным образом вести себя другие микрочастицы, составляющие атом? Настала пора ответить и на этот вопрос.

Мы уже знаем, что фотон ведет себя в пространстве не только как некий материальный объект — корпускула, но и как волна. Причем длина этой волны определяется формулой 1 = h/р, где h — постоянная Планка, а р — импульс частицы. Вопросом, любая ли движущаяся частица может себя вести подобным образом, заинтересовался французский физик-теоретик Луи де Бройль.

Частица превращается... В волну

Напомним, что впервые квантовые свойства были открыты Максом Планком при исследовании законов теплового излучения тел. Тогда в науку и вошло представление о «световых порциях» — квантах электромагнитного поля. Вместе с тем уже давно были известны волновые свойства электромагнитного излучения, проявляющиеся, например, в явлениях дифракции (огибании светом препятствий, сравнимых с длиной волны) и интерференции (наложении волн друг на друга) света.

Луи де Бройль
Луи де Бройль (1892-1987) — французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике за 1929 год

Впервые идею о корпускулярно-волновой природе электрона французский физик выдвинул еще в 1923 году. Позднее это оказалось справедливым и для других составляющих атома. Выдвинутая им гипотеза хорошо обосновала казавшийся загадочным принцип стационарных орбит в модели атома Бора.

Де Бройль предположил, что если частица имеет массу m и скорость v, значительно меньшую скорости света с, импульс частицы р = mv, то длина волны должна определяться формулой А = h/mv.

Волновые свойства макроскопических объектов практически не проявляются из-за очень малых длин волн. Из приведенной выше формулы следует, что длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и ее скорость. Например, для тела массой 200 г, движущегося со скоростью 3 м/с, вычисленная длина волны приблизительно равна 10-32 см, что лежит за пределами наших наблюдательных возможностей. Однако для микрочастиц длины волн лежат в доступной наблюдению области. Так, для электрона, ускоренного разностью потенциалов 100 вольт, длина волны составит всего около 10-9 м, что соответствует размеру атома.

Волновые свойства электронов должны проявиться, например, при их рассеянии на кристаллах, на которых уже к этому времени наблюдали дифракцию рентгеновских лучей.

Оставалось проверить теорию на практике. Как же это сделать?

Волну-частицу можно представлять и так
Волну-частицу можно представлять и так

Окошко в микромир

Впервые экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля осуществили американские ученые Клинт Дэвиссон и Лестер Джермер. Они разогнали пучок электронов в электрическом поле с разностью потенциалов до 150 вольт и пустили его на кристалл никеля. Было установлено, что на кристалле происходит дифракция электронов, причем полученная длина соответствует соотношению де Бройля, а следовательно, электрон в данном случае действительно ведет себя как волна.

Таким образом, подтвержденная на опыте идея де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц принципиально изменила представления об облике микромира. Поскольку всем микрообъектам — по традиции будем все же называть их частицами — присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то любую из этих «частиц» нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании этих слов. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу именно такой теории — волновой, или квантовой механики, и легла подтвержденная гипотеза де Бройля.

Сегодня волновые свойства составляющих атом частиц, а также самих атомов и молекул не только доказаны прямыми опытами, но и широко используются в установках с высокой разрешающей способностью.

Существование волн де Бройля лежит в основе работы электронного микроскопа, разрешающая способность которого на много порядков выше, чем у любого оптического микроскопа, что позволяет ученым наблюдать молекулы и атомы. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется при изучении строения и свойств вещества.

«Полезно поразмыслить над ошибками, сделанными великими умами, поскольку они часто имели серьезное основание, чтобы их сделать» (Луи де Бройль)



Поделиться ссылкой