Корпускулярно-волновой дуализм материи

Физика > Де Бройль и волновая природа материи

 

Концепции и принципы корпускулярно-волнового дуализма материи де Бройля: объекты с характеристикой волн и частиц. Изучите уравнения и гипотезу де Бройля.

Волны материи и волны де Бройля показывают двойственность материи волновой частички.

Задача обучения

• Вывести соотношение де Бройля в виде формулы.

Основные пункты

• Длина волны выступает обратно пропорциональной импульсу частички.
• Опыт Дэвисона-Гермера отобразил волновую природу материи и довершил теорию корпускулярно-волнового дуализма.
• Эксперименты подтвердили, что гипотезу де Бройля можно применить к атомам и макромолекулам.

Термины

• Дифракция – волновой изгиб возле краев отверстия или преграды.
• Специальная теория относительности: световая скорость остается неизменной в любой системе отсчета.
• Корпускулярно-волновой дуализм – все частицы обладают характеристиками волн и частиц.

Волны де Бройля в пределах квантовой механики отражают корпускулярно-волновой дуализм. Эту теорию вывел Луи де Бройль в 1924 году, где показано, что волны выступают обратно пропорциональными импульсу частички.

Эйнштейн показал, что энергия и импульс соотносятся как:

E = pc (E: – энергия, p – импульс, c – световая скорость).

При изучении фотоэлектрических эффектов он также продемонстрировал, что энергия фотона прямо пропорциональна частоте:

E = hν (h – постоянная Планка, ν – частота).

Объединив формулы, можно получить соотношение между импульсом и длиной световой волны:

р = E/c = hν/c  = h/λ. Поэтому приходим к λ = h/p.

Гипотеза де Бройля сводится к тому, что λ = h/p можно принять для описания материи.

Де Бройль не располагал экспериментальными подтверждениями своих идей. Прошло 3 года и Клинт Дэвисон вместе с Лестерем Джермером смогли наблюдать за дифракционными картинами электронов, проходящих сквозь кристаллическую металлическую мишень. До этого дифракция отображала исключительно волновые свойства. Так что наличие дифракционных эффектов в материи показало ее волнообразную природу, что стало главным толчком для развития квантовой механики.

В эксперименте присутствовала электронная пушка, представленная нагретой нитью, высвобождающей термически активированные электроны, которые потом ускорялись из-за отличия потенциалов. Чтобы электроны не сталкивались с другими молекулами, для опыта использовали вакуумную камеру. Электронный детектор перемещался по дуговому маршруту вокруг кристалла и вычислял количество электронов. Он нацеливался исключительно на прием упруго рассеянных электронов

Опыты с дифракцией Френеля и зеркальным отражением нейтральных атомов также подтвердили, что гипотезу де Бройля можно использовать для атомов. В 1999 году при исследовании на Венере удалось показать дифракцию для молекул с размером в фуллерен. Ученые определили длину волны де Бройля с наиболее вероятной скоростью С60 как 2.5 мкм.

---