1924 жылы жас француз теоретик физигі Луи де Бройль материялық толқындар ұғымын ғылыми айналымға енгізді. Бұл батыл теориялық болжам толқындық-бөлшектік дуализм (екі жақтылық) қасиетін материяның барлық көріністеріне – тек радиацияға ғана емес, сонымен бірге материяның кез келген бөлшектеріне де кеңейтті. Заманауи кванттық теория гипотеза авторына қарағанда «материя толқынын» басқаша түсінсе де, материалдық бөлшектермен байланысты бұл физикалық құбылыс оның атымен аталады - де Бройль толқыны.
Ұғымның туу тарихы
1913 жылы Н. Бор ұсынған атомның жартылай классикалық моделі екі постулатқа негізделген:
- Атомдағы электронның бұрыштық импульсі (импульсі) ештеңе бола алмайды. Ол әрқашан nh/2π пропорционал, мұндағы n - 1-ден басталатын кез келген бүтін сан, ал h - Планк тұрақтысы, оның формулада болуы бөлшектің бұрыштық импульсінің анық екенін көрсетеді.квантталған Демек, атомда рұқсат етілген орбиталар жиынтығы бар, олар бойынша тек электрон қозғала алады және оларда қала отырып, ол сәулеленбейді, яғни энергияны жоғалтпайды.
- Атомдық электронның энергияның эмиссиясы немесе жұтылуы бір орбитадан екіншісіне өту кезінде жүреді және оның мөлшері осы орбиталарға сәйкес келетін энергиялар айырмашылығына тең. Рұқсат етілген орбиталар арасында аралық күйлер болмағандықтан, сәулелену де қатаң түрде квантталған. Оның жиілігі (E1 – E2)/сағ, бұл тікелей E=hν энергиясының Планк формуласынан туындайды.
Сонымен, Бордың атом моделі электронның орбитада сәулеленуіне және орбиталардың арасында болуына «тыйым салды», бірақ оның қозғалысы классикалық түрде планетаның Күнді айнала айналуы сияқты қарастырылды. Де Бройль электрон неге осылай әрекет етеді деген сұраққа жауап іздеді. Рұқсат етілген орбиталардың болуын табиғи жолмен түсіндіруге бола ма? Ол электрон қандай да бір толқынмен бірге жүруі керек деп ұсынды. Бөлшекті тек осы толқын бүтін сан рет сыйатын орбиталарды ғана «таңдауға» мәжбүр ететін оның болуы. Бұл Бор тұжырымдаған формуладағы бүтін коэффициенттің мәні болды.
Де Бройльдің электронды толқыны электромагниттік емес, ал толқындық параметрлер атомдағы электрондарға ғана емес, кез келген зат бөлшектеріне тән болуы керек деген гипотезадан шықты.
Бөлшекпен байланысты толқын ұзындығын есептеу
Жас ғалым мүмкіндік беретін өте қызықты қатынасқа ие болдыбұл толқындық қасиеттердің не екенін анықтаңыз. Де Бройльдің сандық толқыны дегеніміз не? Оны есептеу формуласының қарапайым түрі бар: λ=h/p. Мұндағы λ – толқын ұзындығы, р – бөлшектің импульсі. Релятивистік емес бөлшектер үшін бұл қатынасты λ=h/mv түрінде жазуға болады, мұндағы m – масса және v – бөлшектің жылдамдығы.
Неліктен бұл формула ерекше қызығушылық тудыратынын ондағы мәндерден көруге болады. Де Бройль материяның корпускулярлық және толқындық сипаттамаларын – импульс пен толқын ұзындығын бір қатынаста біріктіре алды. Және оларды қосатын Планк тұрақтысы (оның мәні шамамен 6,626 × 10-27 erg∙s немесе 6,626 × 10-34 J∙ c) жиындары материяның толқындық қасиеттері көрінетін масштаб.
Микро және макроәлемдегі "материя толқындары"
Сонымен, физикалық нысанның импульсі (массасы, жылдамдығы) неғұрлым үлкен болса, соғұрлым онымен байланысты толқын ұзындығы қысқа болады. Макроскопиялық денелердің өз табиғатының толқындық компонентін көрсетпеуінің себебі де осында. Мысал ретінде әртүрлі масштабтағы нысандар үшін де Бройль толқын ұзындығын анықтау жеткілікті.
- Жер. Біздің планетамыздың массасы шамамен 6 × 1024 кг, Күнге қатысты орбиталық жылдамдығы 3 × 104 м/с. Осы мәндерді формулаға ауыстырсақ, (шамамен): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 м. «Жер толқынының» ұзындығы жоғалып кететін шағын мән екенін көруге болады. Оны тіркеудің ешқандай мүмкіндігі жоққашықтағы теориялық алғышарттар.
- Салмағы шамамен 10-11 кг, шамамен 10-4 м/с жылдамдықпен қозғалатын бактерия. Ұқсас есептеуді жүргізе отырып, ең кішкентай тірі тіршілік иелерінің бірінің де Бройль толқынының ұзындығы 10-19 м ретті екенін білуге болады, сонымен қатар анықтау үшін тым кішкентай..
- Массасы 9,1 × 10-31 кг болатын электрон. Электронды потенциалдар айырымы 1 В арқылы 106 м/с жылдамдыққа дейін үдетсін. Сонда электронды толқынның толқын ұзындығы шамамен 7 × 10-10 м немесе 0,7 нанометр болады, бұл рентгендік толқындардың ұзындықтарымен салыстыруға және тіркеуге әбден қолайлы.
Электронның массасы, басқа бөлшектер сияқты, соншалықты кішкентай, байқалмайды, сондықтан олардың табиғатының екінші жағы байқалады - толқын тәрізді.
Спред жылдамдығы
Толқындардың фазалық және топтық жылдамдығы сияқты ұғымдарды ажырату. Де Бройль толқындары үшін фаза (бірдей фазалар бетінің қозғалыс жылдамдығы) жарық жылдамдығынан асып түседі. Бұл факт, алайда, салыстырмалылық теориясына қайшылықты білдірмейді, өйткені фаза ақпарат берілуі мүмкін объектілердің бірі емес, сондықтан бұл жағдайда себептілік принципі ешқандай жолмен бұзылмайды.
Топтық жылдамдық жарық жылдамдығынан аз, ол дисперсия нәтижесінде пайда болған көптеген толқындардың суперпозициясының (суперпозициясының) қозғалысымен байланысты және электронның немесе кез келген басқаның жылдамдығын көрсететін ол. толқын байланыстырылған бөлшек.
Эксперименталды жаңалық
Де Бройль толқын ұзындығының шамасы физиктерге материяның толқындық қасиеттері туралы болжамды растайтын эксперименттер жүргізуге мүмкіндік берді. Электрондық толқындар шынайы ма деген сұраққа жауап осы бөлшектер ағынының дифракциясын анықтауға арналған эксперимент болуы мүмкін. Толқын ұзындығы электрондарға жақын рентген сәулелері үшін әдеттегі дифракциялық тор жарамайды - оның периоды (яғни соққылар арасындағы қашықтық) тым үлкен. Кристалдық торлардың атомдық түйіндері қолайлы кезең өлшеміне ие.
1927 жылдың өзінде К. Дэвиссон мен Л. Гермер электронды дифракцияны анықтау үшін тәжірибе жасады. Шағылыстырғыш тор ретінде никель монокристалы қолданылды және гальванометрдің көмегімен әртүрлі бұрыштарда электрондар сәулесінің шашырау қарқындылығы тіркелді. Шашыраудың табиғаты де Бройль болжамын растайтын айқын дифракциялық заңдылықты ашты. Дэвиссон мен Гермерден тәуелсіз Дж. П. Томсон сол жылы электронды дифракцияны тәжірибе жүзінде ашты. Біраз уақыттан кейін протон, нейтрон және атомдық сәулелер үшін дифракциялық үлгінің пайда болуы анықталды.
1949 жылы В. Фабрикант басқарған кеңестік физиктер тобы сәулені емес, жеке электрондарды пайдаланып сәтті эксперимент жүргізді, бұл дифракция бөлшектердің ұжымдық әрекетінің ешқандай әсері емес екенін бұлтартпас дәлелдеуге мүмкіндік берді., және толқындық қасиеттер электронға тиесілі.
«Материя толқындары» туралы идеяларды дамыту
Л.де Бройльдің өзі толқынды елестеткенбөлшекпен ажырамас байланысқан және оның қозғалысын басқаратын нақты физикалық объект және оны «ұшқыш толқын» деп атады. Алайда бөлшектерді классикалық траекториялары бар нысандар ретінде қарастыруды жалғастыра отырып, ол мұндай толқындардың табиғаты туралы ештеңе айта алмады.
Де Бройль идеяларын дамыта отырып, Э. Шредингер материяның толық толқынды табиғаты туралы идеяға келді, шын мәнінде оның корпускулалық жағын елемей. Шредингерді түсінудегі кез келген бөлшек - бұл ықшам толқындық пакеттің бір түрі және басқа ештеңе емес. Бұл тәсілдің мәселесі, атап айтқанда, осындай толқындық пакеттердің тез таралуының белгілі құбылысы болды. Сонымен қатар, электрон сияқты бөлшектер айтарлықтай тұрақты және кеңістікте «жағынбайды».
XX ғасырдың 20-шы жылдарының ортасындағы қызу талқылаулар кезінде кванттық физика материяны сипаттаудағы корпускулярлық және толқындық заңдылықтарды үйлестіретін әдісті жасады. Теориялық тұрғыдан оны М. Борн негіздеді және оның мәнін бірнеше сөзбен былайша көрсетуге болады: де Бройль толқыны белгілі бір уақыт нүктесінде бөлшекті табу ықтималдығының таралуын көрсетеді. Сондықтан оны ықтималдық толқыны деп те атайды. Математикалық тұрғыдан ол Шредингер толқындық функциясымен сипатталады, оның шешімі осы толқынның амплитудасының шамасын алуға мүмкіндік береді. Амплитуда модулінің квадраты ықтималдықты анықтайды.
Де Бройльдің толқындық гипотезасының мәні
1927 жылы Н. Бор және В. Гейзенберг жетілдірген ықтималдық көзқарас қалыптасты. Копенгагендік деп аталатын интерпретацияның негізі болды, ол өте өнімді болды, бірақ оны қабылдау ғылымға көрнекі-механикалық, бейнелі үлгілерден бас тарту құнына берілді. Атақты «өлшеу мәселесі» сияқты бірқатар қарама-қайшылықты мәселелердің болуына қарамастан, кванттық теорияның көптеген қосымшаларымен одан әрі дамуы Копенгагендік интерпретациямен байланысты.
Бұл арада қазіргі кванттық физиканың даусыз табысының негіздерінің бірі де Бройльдің тамаша гипотезасы, шамамен бір ғасыр бұрын «материялық толқындар» туралы теориялық түсінік болғанын есте ұстаған жөн. Оның мәні, бастапқы түсіндірмедегі өзгерістерге қарамастан, даусыз болып қала береді: барлық материя екі жақты сипатқа ие, оның әртүрлі аспектілері әрқашан бір-бірінен бөлек пайда болады, соған қарамастан өзара тығыз байланысты.
