1924 წელს ახალგაზრდა ფრანგმა თეორიულმა ფიზიკოსმა ლუი დე ბროლიმ მეცნიერულ მიმოქცევაში შემოიტანა მატერიის ტალღების კონცეფცია. ეს თამამი თეორიული ვარაუდი ავრცელებდა ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობის (ორმაგობის) თვისებას მატერიის ყველა გამოვლინებაზე - არა მხოლოდ გამოსხივებაზე, არამედ მატერიის ნებისმიერ ნაწილაკზეც. და მიუხედავად იმისა, რომ თანამედროვე კვანტური თეორია „მატერიის ტალღას“განსხვავებულად ესმის, ვიდრე ჰიპოთეზის ავტორი, მატერიალურ ნაწილაკებთან დაკავშირებული ეს ფიზიკური ფენომენი მის სახელს ატარებს - დე ბროლის ტალღა.
კონცეფციის დაბადების ისტორია
ატომის ნახევარკლასიკური მოდელი, რომელიც შემოთავაზებული იყო ნ. ბორის მიერ 1913 წელს, ეფუძნებოდა ორ პოსტულატს:
- ელექტრონის კუთხური იმპულსი (იმპულსი) ატომში არ შეიძლება იყოს არაფერი. ის ყოველთვის პროპორციულია nh/2π-ის, სადაც n არის ნებისმიერი მთელი რიცხვი, რომელიც იწყება 1-დან, ხოლო h არის პლანკის მუდმივი, რომლის არსებობა ფორმულაში ნათლად მიუთითებს, რომ ნაწილაკების კუთხური იმპულსიკვანტიზირებული შესაბამისად, ატომში არის ნებადართული ორბიტების ერთობლიობა, რომლებზეც მხოლოდ ელექტრონს შეუძლია მოძრაობა და მათზე ყოფნისას ის არ ასხივებს, ანუ არ კარგავს ენერგიას.
- ატომური ელექტრონის მიერ ენერგიის ემისია ან შთანთქმა ხდება ერთი ორბიტიდან მეორეზე გადასვლისას და მისი რაოდენობა უდრის ამ ორბიტების შესაბამისი ენერგიების სხვაობას. ვინაიდან დაშვებულ ორბიტებს შორის შუალედური მდგომარეობები არ არსებობს, გამოსხივება ასევე მკაცრად კვანტურია. მისი სიხშირეა (E1 – E2)/სთ, ეს პირდაპირ გამომდინარეობს პლანკის ფორმულიდან ენერგიისთვის E=hν.
ასე რომ, ბორის ატომის მოდელი "აკრძალა" ელექტრონს ორბიტაზე გამოსხივება და ორბიტას შორის ყოფნა, მაგრამ მისი მოძრაობა განიხილებოდა კლასიკურად, როგორც პლანეტის რევოლუცია მზის გარშემო. დე ბროლი ეძებდა პასუხს კითხვაზე, რატომ იქცევა ელექტრონი ისე, როგორც იქცევა. შესაძლებელია თუ არა დასაშვები ორბიტების არსებობის ბუნებრივი გზით ახსნა? მან თქვა, რომ ელექტრონს უნდა ახლდეს გარკვეული ტალღა. სწორედ მისი არსებობა აიძულებს ნაწილაკს „აირჩიოს“მხოლოდ ის ორბიტები, რომლებზეც ეს ტალღა ერგება მთელ რაოდენობას. ეს იყო მთელი რიცხვის კოეფიციენტის მნიშვნელობა ბორის პოსტულირებული ფორმულაში.
ეს მოჰყვა ჰიპოთეზას, რომ დე ბროლის ელექტრონული ტალღა არ არის ელექტრომაგნიტური და ტალღის პარამეტრები დამახასიათებელი უნდა იყოს მატერიის ნებისმიერი ნაწილაკისთვის და არა მხოლოდ ატომის ელექტრონებისთვის.
ნაწილაკთან დაკავშირებული ტალღის სიგრძის გამოთვლა
ახალგაზრდა მეცნიერმა მიიღო უაღრესად საინტერესო თანაფარდობა, რაც საშუალებას იძლევადაადგინეთ რა არის ეს ტალღის თვისებები. რა არის დე ბროლის რაოდენობრივი ტალღა? მისი გამოთვლის ფორმულას აქვს მარტივი ფორმა: λ=h/p. აქ λ არის ტალღის სიგრძე და p არის ნაწილაკების იმპულსი. არარელატივისტური ნაწილაკებისთვის ეს თანაფარდობა შეიძლება დაიწეროს როგორც λ=h/mv, სადაც m არის მასა და v არის ნაწილაკების სიჩქარე.
რატომ არის ეს ფორმულა განსაკუთრებით საინტერესო, ეს ჩანს მასში არსებული მნიშვნელობებიდან. დე ბროლიმ მოახერხა მატერიის კორპუსკულური და ტალღური მახასიათებლების - იმპულსი და ტალღის სიგრძე ერთ თანაფარდობაში გაერთიანება. და პლანკის მუდმივი, რომელიც აკავშირებს მათ (მისი მნიშვნელობა არის დაახლოებით 6,626 × 10-27 erg∙s ან 6,626 × 10-34 J∙c) კომპლექტი მასშტაბი, რომლითაც ჩნდება მატერიის ტალღური თვისებები.
„მატერიის ტალღები“მიკრო და მაკროსამყაროში
ასე რომ, რაც მეტია ფიზიკური ობიექტის იმპულსი (მასა, სიჩქარე), მით უფრო მოკლეა მასთან დაკავშირებული ტალღის სიგრძე. ეს არის მიზეზი იმისა, რომ მაკროსკოპული სხეულები არ აჩვენებენ თავიანთი ბუნების ტალღურ კომპონენტს. ილუსტრაციისთვის საკმარისი იქნება დე ბროლის ტალღის სიგრძის განსაზღვრა სხვადასხვა მასშტაბის ობიექტებისთვის.
- დედამიწა. ჩვენი პლანეტის მასა არის დაახლოებით 6 × 1024 კგ, ორბიტალური სიჩქარე მზესთან შედარებით არის 3 × 104 მ/წმ. ამ მნიშვნელობების ფორმულაში ჩანაცვლებით, მივიღებთ (დაახლოებით): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3.6 × 10-63 მ. ჩანს, რომ "დედამიწის ტალღის" სიგრძე არის ძალიან მცირე მნიშვნელობა.. მისი რეგისტრაციის რაიმე შესაძლებლობაც კი არ არსებობსდისტანციური თეორიული ნაგებობები.
- ბაქტერია იწონის დაახლოებით 10-11 კგ, მოძრაობს დაახლოებით 10-4 მ/წმ სიჩქარით. მსგავსი გამოთვლების შემდეგ, შეიძლება გაიგოთ, რომ ერთ-ერთი ყველაზე პატარა ცოცხალი არსების დე ბროლის ტალღას აქვს 10-19 მ რიგის სიგრძე - ასევე ძალიან მცირეა გამოსავლენად..
- ელექტრონის მასა 9,1 × 10-31 კგ. დაე, ელექტრონი აჩქარდეს 1 ვ პოტენციალის სხვაობით 106 მ/წმ სიჩქარემდე. მაშინ ელექტრონული ტალღის ტალღის სიგრძე იქნება დაახლოებით 7 × 10-10 მ, ანუ 0,7 ნანომეტრი, რაც შედარებულია რენტგენის ტალღების სიგრძესთან და საკმაოდ ექვემდებარება რეგისტრაციას.
ელექტრონის მასა, ისევე როგორც სხვა ნაწილაკები, იმდენად მცირეა, შეუმჩნეველია, რომ მათი ბუნების მეორე მხარე შესამჩნევი ხდება - ტალღის მსგავსი.
გავრცელების მაჩვენებელი
გაასხვავეთ ისეთ ცნებებს შორის, როგორიცაა ტალღების ფაზა და ჯგუფური სიჩქარე. ფაზა (იდენტური ფაზების ზედაპირის მოძრაობის სიჩქარე) დე ბროლის ტალღებისთვის აღემატება სინათლის სიჩქარეს. თუმცა ეს ფაქტი არ ნიშნავს ფარდობითობის თეორიასთან წინააღმდეგობას, ვინაიდან ფაზა არ არის ერთ-ერთი ობიექტი, რომლის მეშვეობითაც შეიძლება ინფორმაციის გადაცემა, ამიტომ მიზეზობრიობის პრინციპი ამ შემთხვევაში არანაირად არ ირღვევა.
ჯგუფური სიჩქარე სინათლის სიჩქარეზე ნაკლებია, ის დაკავშირებულია დისპერსიის შედეგად წარმოქმნილი მრავალი ტალღის სუპერპოზიციის მოძრაობასთან (სუპერპოზიციასთან) და სწორედ ის ასახავს ელექტრონის ან სხვა რაიმე სიჩქარეს. ნაწილაკი, რომელთანაც ტალღა ასოცირდება.
ექსპერიმენტული აღმოჩენა
დე ბროლის ტალღის სიდიდემ ფიზიკოსებს საშუალება მისცა ჩაეტარებინათ ექსპერიმენტები, რომლებიც ადასტურებდნენ ვარაუდს მატერიის ტალღური თვისებების შესახებ. პასუხი კითხვაზე, რეალურია თუ არა ელექტრონული ტალღები, შეიძლება იყოს ექსპერიმენტი ამ ნაწილაკების ნაკადის დიფრაქციის გამოსავლენად. ელექტრონებთან ტალღის სიგრძით ახლოს რენტგენისთვის, ჩვეულებრივი დიფრაქციული ბადე არ არის შესაფერისი - მისი პერიოდი (ანუ დარტყმებს შორის მანძილი) ძალიან დიდია. ბროლის გისოსების ატომურ კვანძებს აქვთ შესაბამისი პერიოდის ზომა.
უკვე 1927 წელს კ. დევისონმა და ლ. გერმერმა შექმნეს ექსპერიმენტი ელექტრონების დიფრაქციის გამოსავლენად. ნიკელის ერთკრისტალი გამოიყენებოდა ამრეკლავ ბადედ, ხოლო ელექტრონული სხივის სხვადასხვა კუთხით გაფანტვის ინტენსივობა დაფიქსირდა გალვანომეტრის გამოყენებით. გაფანტვის ბუნებამ გამოავლინა მკაფიო დიფრაქციის ნიმუში, რამაც დაადასტურა დე ბროლის ვარაუდი. დევისონისა და გერმერისგან დამოუკიდებლად, ჯ.პ. ტომსონმა ექსპერიმენტულად აღმოაჩინა ელექტრონის დიფრაქცია იმავე წელს. ცოტა მოგვიანებით, დიფრაქციული შაბლონის გამოჩენა დადგინდა პროტონის, ნეიტრონისა და ატომური სხივებისთვის.
1949 წელს საბჭოთა ფიზიკოსთა ჯგუფმა ვ.ფაბრიკანტის ხელმძღვანელობით ჩაატარა წარმატებული ექსპერიმენტი არა სხივის, არამედ ცალკეული ელექტრონების გამოყენებით, რამაც შესაძლებელი გახადა უტყუარი დამტკიცება, რომ დიფრაქცია არ არის ნაწილაკების კოლექტიური ქცევის რაიმე ეფექტი., და ტალღის თვისებები ეკუთვნის ელექტრონს, როგორც ასეთი.
იდეების შემუშავება "მატერიის ტალღების" შესახებ
L. de Broglie თავად წარმოიდგენდა ტალღას, როგორცრეალური ფიზიკური ობიექტი, რომელიც განუყოფლად არის დაკავშირებული ნაწილაკთან და აკონტროლებს მის მოძრაობას და მას "საპილოტე ტალღა" უწოდა. თუმცა, სანამ აგრძელებდა ნაწილაკების კლასიკური ტრაექტორიის მქონე ობიექტებად განხილვას, მან ვერაფერი თქვა ასეთი ტალღების ბუნების შესახებ.
დე ბროლის იდეების შემუშავებით, ე. შროდინგერი მივიდა მატერიის სრულიად ტალღოვანი ბუნების იდეამდე, ფაქტობრივად, უგულებელყო მისი კორპუსკულური მხარე. შროდინგერის გაგებაში ნებისმიერი ნაწილაკი არის ერთგვარი კომპაქტური ტალღური პაკეტი და მეტი არაფერი. ამ მიდგომის პრობლემა იყო, კერძოდ, ასეთი ტალღური პაკეტების სწრაფი გავრცელების ცნობილი ფენომენი. ამავდროულად, ნაწილაკები, როგორიცაა ელექტრონი, საკმაოდ მდგრადია და არ „იწითლება“სივრცეში.
XX საუკუნის 20-იანი წლების შუა ხანების მწვავე დისკუსიების დროს კვანტურმა ფიზიკამ შეიმუშავა მიდგომა, რომელიც აერთიანებს კორპუსკულურ და ტალღურ ნიმუშებს მატერიის აღწერაში. თეორიულად ის დაასაბუთა M. Born-მა და მისი არსი რამდენიმე სიტყვით შეიძლება ასე გამოითქვას: დე ბროლის ტალღა ასახავს დროის გარკვეულ მომენტში ნაწილაკის პოვნის ალბათობის განაწილებას. ამიტომ, მას ასევე უწოდებენ ალბათობის ტალღას. მათემატიკურად ის აღწერილია შრედინგერის ტალღური ფუნქციით, რომლის ამოხსნაც შესაძლებელს ხდის ამ ტალღის ამპლიტუდის სიდიდის მიღებას. ამპლიტუდის მოდულის კვადრატი განსაზღვრავს ალბათობას.
დე ბროლის ტალღის ჰიპოთეზის მნიშვნელობა
ალბათური მიდგომა, რომელიც გაუმჯობესდა ნ. ბორის და ვ. ჰაიზენბერგის მიერ 1927 წელს, ჩამოყალიბდასაფუძველი ე.წ. მთელი რიგი საკამათო საკითხების არსებობის მიუხედავად, როგორიცაა ცნობილი „გაზომვის პრობლემა“, კვანტური თეორიის შემდგომი განვითარება მისი მრავალრიცხოვანი აპლიკაციებით ასოცირდება კოპენჰაგენის ინტერპრეტაციასთან.
ამავდროულად, უნდა გვახსოვდეს, რომ თანამედროვე კვანტური ფიზიკის უდავო წარმატების ერთ-ერთი საფუძველი იყო დე ბროლის ბრწყინვალე ჰიპოთეზა, თეორიული შეხედულება "მატერიის ტალღების" შესახებ თითქმის ერთი საუკუნის წინ. მისი არსი, მიუხედავად თავდაპირველი ინტერპრეტაციის ცვლილებებისა, უდაო რჩება: ყველა მატერიას აქვს ორმაგი ბუნება, რომლის სხვადასხვა ასპექტები, რომლებიც ყოველთვის ერთმანეთისგან განცალკევებით ჩნდებიან, მაინც მჭიდროდ არის დაკავშირებული ერთმანეთთან.
