Në vitin 1924, fizikani i ri teorik francez Louis de Broglie prezantoi konceptin e valëve të materies në qarkullimin shkencor. Ky supozim i guximshëm teorik zgjeroi vetinë e dualitetit të grimcave valë (dualiteti) në të gjitha manifestimet e materies - jo vetëm në rrezatim, por edhe në çdo grimcë të materies. Dhe megjithëse teoria moderne kuantike e kupton "valën e materies" ndryshe nga autori i hipotezës, ky fenomen fizik i lidhur me grimcat materiale mban emrin e tij - vala de Broglie.
Historia e lindjes së konceptit
Modeli gjysmëklasik i atomit i propozuar nga N. Bohr në 1913 u bazua në dy postulate:
- Momenti këndor (momentumi) i një elektroni në një atom nuk mund të jetë asgjë. Është gjithmonë proporcionale me nh/2π, ku n është çdo numër i plotë që fillon nga 1, dhe h është konstanta e Plankut, prania e së cilës në formulë tregon qartë se momenti këndor i grimcëstë kuantizuara Për rrjedhojë, ekziston një grup orbitash të lejuara në atom, përgjatë të cilave vetëm elektroni mund të lëvizë dhe, duke qëndruar në to, ai nuk rrezaton, domethënë nuk humbet energji.
- Emetimi ose thithja e energjisë nga një elektron atomik ndodh gjatë kalimit nga një orbitë në tjetrën, dhe sasia e tij është e barabartë me diferencën në energjitë që korrespondojnë me këto orbita. Meqenëse nuk ka gjendje të ndërmjetme midis orbitave të lejuara, rrezatimi është gjithashtu i kuantizuar në mënyrë strikte. Frekuenca e saj është (E1 – E2)/h, kjo rrjedh drejtpërdrejt nga formula e Planck-ut për energjinë E=hν.
Pra, modeli i atomit i Bohr-it "ndaloi" elektronin të rrezatohej në orbitë dhe të ishte midis orbitave, por lëvizja e tij konsiderohej klasikisht, si revolucioni i një planeti rreth Diellit. De Broglie po kërkonte një përgjigje për pyetjen pse elektroni sillet ashtu siç sillet. A është e mundur të shpjegohet prania e orbitave të pranueshme në një mënyrë të natyrshme? Ai sugjeroi që elektroni duhet të shoqërohet nga një valë. Është prania e saj që e bën grimcën "të zgjedhë" vetëm ato orbita në të cilat kjo valë përshtatet një numër të plotë herë. Ky ishte kuptimi i koeficientit të numrit të plotë në formulën e postuluar nga Bohr.
Kjo rrjedh nga hipoteza se vala elektronike e de Broglie nuk është elektromagnetike dhe parametrat e valës duhet të jenë karakteristike për çdo grimcë të materies, dhe jo vetëm për elektronet në atom.
Llogaritja e gjatësisë valore të lidhur me një grimcë
Shkencëtari i ri mori një raport jashtëzakonisht interesant, i cili lejonpërcaktoni cilat janë këto veti valore. Cila është vala sasiore e de Broglie? Formula për llogaritjen e saj ka një formë të thjeshtë: λ=h/p. Këtu λ është gjatësia e valës dhe p është momenti i grimcës. Për grimcat jorelativiste, ky raport mund të shkruhet si λ=h/mv, ku m është masa dhe v është shpejtësia e grimcave.
Pse kjo formulë është me interes të veçantë mund të shihet nga vlerat në të. De Broglie arriti të kombinojë në një raport karakteristikat korpuskulare dhe valore të materies - momentin dhe gjatësinë e valës. Dhe konstanta Planck që i lidh ato (vlera e saj është afërsisht 6,626 × 10-27 erg∙s ose 6,626 × 10-34 J∙ c) vendos shkalla në të cilën shfaqen vetitë valore të materies.
"Valët e materies" në mikro dhe makrobotën
Pra, sa më i madh të jetë momenti (masa, shpejtësia) e një objekti fizik, aq më e shkurtër është gjatësia e valës që lidhet me të. Kjo është arsyeja pse trupat makroskopikë nuk tregojnë komponentin valor të natyrës së tyre. Sa për ilustrim, do të mjaftojë të përcaktohet gjatësia e valës de Broglie për objekte të shkallëve të ndryshme.
- Toka. Masa e planetit tonë është rreth 6 × 1024 kg, shpejtësia orbitale në raport me Diellin është 3 × 104 m/s. Duke zëvendësuar këto vlera në formulë, marrim (përafërsisht): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m. Mund të shihet se gjatësia e "valës së tokës" është një vlerë jashtëzakonisht e vogël. Madje nuk ka asnjë mundësi regjistrimi të tijpremisa teorike të largëta.
- Një bakter që peshon rreth 10-11 kg, që lëviz me një shpejtësi prej rreth 10-4 m/s. Duke bërë një llogaritje të ngjashme, mund të zbulohet se vala de Broglie e një prej qenieve më të vogla të gjalla ka një gjatësi prej 10-19 m - gjithashtu shumë e vogël për t'u zbuluar.
- Një elektron që ka një masë 9,1 × 10-31 kg. Le të përshpejtohet një elektron me një ndryshim potencial prej 1 V në një shpejtësi prej 106 m/s. Atëherë gjatësia e valës së valës elektronike do të jetë afërsisht 7 × 10-10 m, ose 0,7 nanometra, e cila është e krahasueshme me gjatësinë e valëve të rrezeve X dhe mjaft e përshtatshme për regjistrim.
Masa e një elektroni, si grimcat e tjera, është aq e vogël, e padukshme, saqë ana tjetër e natyrës së tyre bëhet e dukshme - në formë valë.
Norma e përhapjes
Dalloni koncepte të tilla si shpejtësia fazore dhe grupore e valëve. Faza (shpejtësia e lëvizjes së sipërfaqes së fazave identike) për valët e de Broglie tejkalon shpejtësinë e dritës. Megjithatë, ky fakt nuk do të thotë një kontradiktë me teorinë e relativitetit, pasi faza nuk është një nga objektet përmes të cilave mund të transmetohet informacioni, kështu që parimi i shkakësisë në këtë rast nuk cenohet në asnjë mënyrë.
Shpejtësia e grupit është më e vogël se shpejtësia e dritës, ajo shoqërohet me lëvizjen e një mbivendosjeje (superpozicioni) të shumë valëve të formuara për shkak të shpërndarjes, dhe është ajo që pasqyron shpejtësinë e një elektroni ose ndonjë tjetër grimca me të cilën është e lidhur vala.
Zbulim eksperimental
Madhësia e gjatësisë së valës de Broglie i lejoi fizikanët të kryenin eksperimente që konfirmonin supozimin për vetitë valore të materies. Përgjigja në pyetjen nëse valët elektronike janë reale mund të jetë një eksperiment për të zbuluar difraksionin e një rryme të këtyre grimcave. Për rrezet X afër elektroneve në gjatësi vale, grila e zakonshme e difraksionit nuk është e përshtatshme - periudha e saj (d.m.th., distanca midis goditjeve) është shumë e madhe. Nyjet atomike të rrjetave kristalore kanë një madhësi të përshtatshme periodike.
Tashmë në 1927, K. Davisson dhe L. Germer ngritën një eksperiment për të zbuluar difraksionin e elektroneve. Një kristal i vetëm nikeli u përdor si një grilë reflektuese dhe intensiteti i shpërndarjes së rrezeve të elektroneve në kënde të ndryshme u regjistrua duke përdorur një galvanometër. Natyra e shpërndarjes zbuloi një model të qartë difraksioni, i cili konfirmoi supozimin e de Broglie. Në mënyrë të pavarur nga Davisson dhe Germer, J. P. Thomson zbuloi eksperimentalisht difraksionin e elektroneve në të njëjtin vit. Pak më vonë, shfaqja e modelit të difraksionit u krijua për rrezet e protonit, neutronit dhe atomike.
Në vitin 1949, një grup fizikantësh sovjetikë të udhëhequr nga V. Fabrikant kryen një eksperiment të suksesshëm duke përdorur jo një rreze, por elektrone individuale, gjë që bëri të mundur të vërtetohej në mënyrë të pakundërshtueshme se difraksioni nuk është ndonjë efekt i sjelljes kolektive të grimcave., dhe vetitë e valës i përkasin elektronit si të tillë.
Zhvillimi i ideve rreth "valëve të materies"
L. de Broglie vetë e imagjinonte valën sinjë objekt fizik i vërtetë, i lidhur pazgjidhshmërisht me një grimcë dhe që kontrollon lëvizjen e saj, dhe e quajti atë "valë pilot". Megjithatë, ndërsa vazhdonte t'i konsideronte grimcat si objekte me trajektore klasike, ai nuk ishte në gjendje të thoshte asgjë për natyrën e valëve të tilla.
Duke zhvilluar idetë e de Broglie, E. Schrodinger erdhi në idenë e një natyre krejtësisht valëzuese të materies, në fakt, duke injoruar anën e saj korpuskulare. Çdo grimcë në kuptimin e Schrödinger është një lloj pakete valësh kompakte dhe asgjë më shumë. Problemi i kësaj qasjeje ishte, në veçanti, fenomeni i njohur i përhapjes së shpejtë të paketave të tilla valore. Në të njëjtën kohë, grimcat, të tilla si një elektron, janë mjaft të qëndrueshme dhe nuk "njollosen" në hapësirë.
Gjatë diskutimeve të nxehta të mesit të viteve 20 të shekullit XX, fizika kuantike zhvilloi një qasje që pajton modelet korpuskulare dhe ato valore në përshkrimin e materies. Teorikisht, ajo u vërtetua nga M. Born, dhe thelbi i saj mund të shprehet me pak fjalë si më poshtë: vala de Broglie pasqyron shpërndarjen e probabilitetit për të gjetur një grimcë në një moment të caktuar në një moment të caktuar kohor. Prandaj, quhet edhe vala e probabilitetit. Matematikisht përshkruhet nga funksioni valor i Shrodingerit, zgjidhja e të cilit bën të mundur marrjen e madhësisë së amplitudës së kësaj vale. Katrori i modulit të amplitudës përcakton probabilitetin.
Vlera e hipotezës së valës së de Broglie
Qasja probabiliste, e përmirësuar nga N. Bohr dhe W. Heisenberg në 1927, u formuabazën e të ashtuquajturit interpretim të Kopenhagës, i cili u bë jashtëzakonisht produktiv, megjithëse miratimi i tij iu dha shkencës me koston e braktisjes së modeleve vizuale-mekaniste, figurative. Pavarësisht pranisë së një sërë çështjesh të diskutueshme, siç është "problemi i matjes" i famshëm, zhvillimi i mëtejshëm i teorisë kuantike me aplikimet e saj të shumta shoqërohet me interpretimin e Kopenhagës.
Ndërkohë, duhet mbajtur mend se një nga themelet e suksesit të padiskutueshëm të fizikës moderne kuantike ishte hipoteza brilante e de Broglie, një pasqyrë teorike rreth "valëve të materies" pothuajse një shekull më parë. Thelbi i saj, pavarësisht ndryshimeve në interpretimin origjinal, mbetet i pamohueshëm: e gjithë materia ka një natyrë të dyfishtë, aspektet e ndryshme të së cilës, duke u shfaqur gjithmonë veçmas nga njëra-tjetra, megjithatë janë të ndërlidhura ngushtë.
