Волновые свойства микрочастиц. Гипотеза де Бройля.

Микрочастицами называются элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны, и др. простые частицы), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (молекулы, атомы, ядра атомов).

Идея о существовании у микрочастиц волновых свойств и о связи длины волны частицы с её импульсом принадлежит французскому физику Луи де Бройлю.

В результате углубления представлений о природе света выяснилось, что в оптических явлениях обнаруживается своеобразный дуализм.

В 1924г. де Бройль выдвинул гипотезу о том, что дуализм не является особенностью только оптических явлений, но имеет универсальное значение. Допуская, что частицы вещества наряду с корпускулярными свойствами имеют и волновые, он перенес на случай частиц вещества те же правила перехода от одной картины к другой, какие справедливы в случае света. Согласно формуле Планка, непосредственно связывающей волновые и корпускулярные свойства электромагнитных волн, энергия фотона равна

.

Согласно релятивистской формуле, связавшей массу и энергию,

.

Тогда импульс р, которым обладает фотон, связан с соотношением

.

По идее де Бройля, микрочастица обладает волновыми свойствами и её длина волны определяется соотношением

.

Гипотеза де Бройля была впервые подтверждена экспериментально в 1927г. американскими физиками К. Девисоном и Л. Джермером, которые направили на грань монокристалла никеля пучок моноэнергетических электронов. При соударении с кристаллом пучок рассеивался во все стороны, а отраженные электроны улавливались цилиндрическим электродом, присоединенным к гальванометру (рис. 1а). Исследование этого рассеяния показало, что существовали такие направления, в которых наблюдалось максимальное количество рассеянных электронов, а в других – минимальное (рис. 1б). Наличие максимумов свидетельствовало о механизме отражения, характерного для волнового процесса. Интенсивность отраженного пучка оценивалась по силе тока, текущего через гальванометр. Наблюдалась дифракция электронов на кристаллической решетке никеля.

В 1948г. российские физики Н.Г. Сушкин и В.А. Фабрикант получили дифракционную картину, явившуюся результатом прохождения отдельных электронов сквозь тонкую металлическую фольгу и их дифракции на кристаллической решетке металла, то есть было доказано, что волновые свойства присущи отдельному электрону.