Гипотеза Де Бройля предполагает, что вся материя проявляет волновые свойства и связывает наблюдаемую длину волны материи с ее импульсом. После того, как теория фотонов Альберта Эйнштейна была принята, встал вопрос, верно ли это только для света или материальные объекты также проявляют волнообразное поведение. Вот как развивалась гипотеза Де Бройля.
Тезис Де Бройля
В его 1923 г. (или 1924 г., в зависимости от источник) докторской диссертации французский физик Луи де Бройль сделал смелое утверждение. Рассматривая отношение Эйнштейна длины волны лямбда к импульсу p , де Бройль предположил, что это отношение будет определять длину волны любого вещества в соотношении:
лямбда = h / p
напомним, что h – постоянная Планка
Эта длина волны равна называется длиной волны де Бройля . Причина, по которой он выбрал уравнение импульса вместо уравнения энергии, состоит в том, что для материи было неясно, должно ли E быть полной энергией, кинетической энергией или полной релятивистской энергией. Для фотонов все они одинаковы, но не для материи.
Однако предположение о соотношении импульса позволило вывести аналогичное соотношение де Бройля для частота f с использованием кинетической энергии Ek:
f = E k / h
Альтернативные формулировки
Отношения Де Бройля иногда выражаются в терминах константы Дирака, h-bar = h /(2 pi ), а также угловая частота w и волновое число k :
p = h-bar * kE k
= h-bar * w
Экспериментальное подтверждение
В 1927 году физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер из Bell Labs выполнили эксперимент, в котором они стреляли электронами в кристаллическую никелевую мишень. Полученная дифракционная картина соответствовала предсказаниям длины волны де Бройля. Де Бройль получил Нобелевскую премию 1929 года за свою теорию (впервые она была присуждена за докторскую диссертацию), а Дэвиссон/Гермер совместно выиграли ее в 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов (и, таким образом, доказательство теории де Бройля Гипотеза).
Дальнейшие эксперименты подтвердили гипотезу де Бройля, включая квантовые варианты эксперимента с двойной щелью. Дифракционные эксперименты в 1999 году подтвердили длину волны де Бройля для поведения молекул размером с букиболы, которые представляют собой сложные молекулы, состоящие из 60 или более атомов углерода..
Значение гипотезы де Бройля
Гипотеза де Бройля показала, что дуальность волна-частица была не просто аномальным поведением свет, а скорее был фундаментальным принципом, проявляемым как излучением, так и материей. Таким образом, становится возможным использовать волновые уравнения для описания поведения материала, если правильно применять длину волны де Бройля. Это окажется критически важным для развития квантовой механики. Теперь это неотъемлемая часть теории атомной структуры и физики элементарных частиц.
Макроскопические объекты и длина волны
Хотя де Бройля Гипотеза предсказывает длины волн для материи любого размера, есть реальные ограничения на то, когда это полезно. Бейсбольный мяч, брошенный в питчера, имеет длину волны де Бройля, которая примерно на 20 порядков меньше диаметра протона. Волновые аспекты макроскопического объекта настолько малы, что их нельзя наблюдать в каком-либо полезном смысле, хотя об этом интересно поразмышлять.