Гипотеза де Бройля. "Волны материи"

Накопление противоречивых фактов о свойствах света (в одних случаях - типичный волновой процесс, в других - типичная частица-фотон), с одной стороны, и постулаты Бора, объясняют устойчивость атома, - с другой стороны, требовали однозначных объяснений.

их предложил Луи де Бройль в 1923 году. Де Бройль по-настоящему верил в единство природы и не мог даже предположить, что свет - нечто особенное, ни на что другое в природе не похоже. Он выдвинул гипотезу, что не только свет, но и все тела в природе должны обладать как корпускулярными, так и волновыми свойствами одновременно. Но понять, что такое "волна материи", обычному человеку трудно; волна и частица кажутся нам совсем несовместимыми понятиями. При слове "частица" мы можем представить себе песчинку, камень или даже земной шар; когда мы говорим о волне, то представляем бурное море струну, что звучит. И объединить эти представления в одном образе невозможно.

Фотон - частица света - имеет импульс, где - длина волны света, которому соответствует этот фотон. Де Бройль предположил, что это соотношение является универсальным, то есть движения частиц, имеющих импульс, соответствует длина волны Эти волны получили название "волны де Бройля", или "волны материи". Поскольку импульс частицы равен произведению ее массы на скорость движения (), то длина волны де Бройля.

Очень долго физики не могли понять смысл гипотезы де Бройля. Сам автор представлял волну - пилота, на своем горбу несет электрон; прошло много времени, пока привыкли к мысли, что волна де Бройля и есть сам электрон.

История гипотезы, которую выдвинул де Бройль, более поучительна. Будучи по специальности историком, он увлекся физикой под влиянием старшего брата, признанного ученого в области рентгеновских лучей. В 1963 Луи де Бройль вспоминал: "Мой брат считал> рентгеновские лучи определенной комбинацией волны и частицы, но, будучи теоретиком, он не имел особенно четких представлений об этом предмете .... Он настойчиво обращал мое внимание на важность и несомненную реальность дуальных аспектов волны и частицы. Эти долгие беседы помогли мне глубоко осмыслить необходимость обязательного связи волновой и корпускулярной точки зрения ".

Свои идеи де Бройль изложил в диссертации, которая называлась "Исследования по теории квантов". Руководителем работы был Ланжевен, физик классической школы. Он отнесся к идеям своего ученика доброжелательно, но очень сдержанно. Диссертация попала на рецензирование к А. Эйнштейна и произвела на него большое впечатление. Он написал М. Борну: "Прочитай ее! Хоть и кажется, что ее написал сумасшедший, написана она солидно". Создатель волновой механики Э. Шредингер впоследствии поблагодарил Эйнштейну за то, что тот "дал ему щелчок в нос, указав на важность идеи де Бройля".


Прямое доказательство существования волновых свойств электронов было получено через три года благодаря экспериментам американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера. Изучая отражение электронов от поверхности кристаллов, они обнаружили, что электроны хорошо отражаются только в том случае, если бомбардируют кристалл под определенным углом к его поверхности. Подобный эффект наблюдается и при взаимодействии рентгеновских лучей с кристаллом - это было хорошо известно. Подставив в известные формулы, описывающие дифракцию волн на кристалле, длину волны де Бройля вместо длины волны рентгеновских лучей, получили полное совпадение теории и эксперимента.

Как и многие другие открытий, дифракцию электронов было обнаружено совершенно "случайно", хотя случай говорит только подготовленному уму. Вскоре сын знаменитого Дж. Дж. Томсона, открыл электрон, - Джозеф Томсон наблюдал дифракцию не в монокристалле, как Дэвиссон и Джермер, а на поликристаллической металлической фольге. Он получил прекрасные фотографии дифракции электронов, полностью напоминали дифракцию рентгеновских лучей. Это было естественно, поскольку электроны, ускоренные потенциалом всего лишь 100 вольт, имеют длину волны де Бройля примерно м - то есть ее можно сравнить с длиной волны рентгеновских лучей и размерами атома.

Позже явление дифракции частиц нашло широкое применение для изучения структуры твердого тела и его поверхности. Созданы и широко используются для этих целей электронные микроскопы и электронографы.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >