ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ

Обнаружение и истолкование корпускулярно-волнового дуализма фотонов (п. 1.11) не устранило противопоставления свойств вещества и электромагнитного излучения, присущего классической физике. Следующим шагом на пути к единому квантовому описанию материи на микроуровне было открытие волновых свойств микрочастиц с ненулевой массой – электронов, атомов и т.п. Оказалось, что волновые свойства микрочастиц и корпускулярные свойства электромагнитного излучения имеют общее происхождение, связанное с существованием в природе кванта действия – постоянной Планка.

Революционная идея о наличии волновых свойств у частиц материи была впервые высказана профессором Московского университета Б.Б.Голицыным, однако она оказалась столь чуждой установившимся представлениям, что вскоре была забыта. Снова такую гипотезу выдвинул в 1924 году Луи де Бройль. Он был убежден в единстве природы на микроуровне и фундаментальной роли, которую играет постоянная Планка. Л. де Бройль предположил, что каждому из движущихся объектов материи можно поставить в соответствие волну, причем корпускулярные характеристики объекта (энергия W и импульс и соответствующие волновые (циклическая частота w и длина волны l) связаны между собой универсальными соотношениями, аналогичными соотношением Эйнштейна для фотонов:

или , (2.11)

или , (2.12)

где р=| | - модуль импульса частицы.

Волны, ассоциированные со свободно движущимися частицами, называются волнами де Бройля.

Для объектов не очень высокой энергии ( <<c)

и . (2.13)

Таким образом, длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса m частицы и ее скорость u . В какой же степени гипотеза де Бройля согласуется с опытом?

Прежде всего, надо отметить, что она не противоречит установившимся понятием классической физики. Например, частице с массой m =10^-5 г. (малой с макроскопической точки зрения), движущейся со скоростью u=1 м/с (u<<c), соответствует по формуле (2.12) волна де Бройля длиной l=6,6 10^-26 м, что лежит за пределами возможностей наших наблюдений. Поэтому считается, что макроскопические тела не проявляют своих волновых свойств.

Для электронов же с кинетической энергией W_k~(10-10⁴) эВ длины волн де Бройля (l= ) лежат в диапазоне ( 0,1– 10) 10^-10 м, что соответствует рентгеновскому излучению. Тот же порядок величины имеет постоянная кристаллической решетки вещества. Поэтому волновые свойства таких электронов проявляются при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновских лучей.

Наличие волновых свойств у электронов было в первые подтверждено в 1927 году опытами К.Девиссона и Л.Джермера, а также (независимо) Г.Томсона и П.С.Тартаковского. Первые из них обнаружили дифракцию пучка электронов, ускоренного до энергии W~(100-150) эВ при его расстоянии от поверхности кристалла никеля, играющего роль пространственной дифракционной решетки. Томсон и Тартаковский изучали прохождение пучка электронов через дифракционную решетку в виде очень тонкой металлической фольги. Пройдя фольгу, электроны попадали на фотопластинку ФП, где четко вырисовывалась дифракционная картина, причем обнаружилось поразительное совпадение длин волн, рассчитанных по формуле (2.12) и вычисленных по данным эксперимента.

Опытами В.А. Фабриканта было доказано, что волновые свойства присущи не только потоку электронов, но и каждому из них в отдельности.

В дальнейшем была получена дифракция нейтронов, протонов, атомов гелия, молекул водорода и других частиц.

Таким образом, опыты подтвердили справедливость гипотезы де Бройля: любому объекту присущи волновые свойства.