Вълните на Луи дьо Бройл

Френският физик Луи дьо Бройл получава Нобелова награда по физика за 1929 година с мотив „За откритието на вълновата природа на електрони“. Да разгледаме хипотезата на Дьо Бройл за вълновите свойства на микрочастиците.

През 1905 г. А.Айнщайн успешно обяснява закономерностите при фотоефекта. Това става възможно чрез развитието на идеята на Макс Планк, че светлината не само се излъчва, но и поглъща на кванти (порции) енергия. Носителите на квантите са наречени фотони – светлинни частици, които имат двойствена природа с поведение на частици и вълни.

Симетрията в природата и във физичните закони са основание за Луи дьо Бройл през 1923 г. да издигне достатъчно смело нова хитетеза. Нима двойствената природа е характерна само за фотоните? Това е много странно. Вероятно такава двойственост проявяват и други микрообекти – електрони, протони и т.н. Според Дьо Бройл всички материални форми имат свойства както на частици, така и на вълни. Тези вълни са наречени вълни на материята или вълни на Дьо Бройл.

Дифракция на електрони

През 1927 г. американските физици К.Девисън и Л.Джермер намират първото доказателство на смелата хипотеза на Дьо Бройл в резултатите на техните опити по разсейване на електрони от кристали на никел. Предсказаната теоретично дължина на вълната съответстваща на електроните е сравнима с разстоянието между атомите в кристалната решетка на никеловата мишена. Бомбардиращите електрони се отразяват от мишената и се регистрират върху фотоплака. Резултатът представлява типична дифракционна картина. Чрез разстоянието между дифракционните максимуми е изчислена дължината на вълната на електрона, която напълно съвпада с теоретичното предсказание на Дьо Бройл.

Двойствената природа на електрона – частица и вълна. 

Друго доказателство за вълновата им природа е преминаването на електрони през два тесни процепа. Върху екрана поставен след преградата се наблюдава интерференчна картина, идентична с картината при интерференцията на монохроматична светлина в опита на Т.Юнг през 1801г.

Категоричността на доказателствата за дуализма «частица-вълна» на електроните е пренесена и върху други микрочастици – неутрони, протони, атоми на водорода и ядра на хелий. Не остават никакви съмнения, че материята проявява вълнови свойства. 

Атомът на Бор показва електроните като частици, подобни на планети, които обикалят слънцето. Атомът на дьо Бройл третира електроните по-скоро като вълни, чийто модели са разположени симетрично в рамките на атома. И в двата случая, енергийните нива на електроните са кратни на количеството – квант енергия.

Първоначално Дьо Бройл представя формулата за дължината на вълната за фотона, чийто импулс е p = mс. Чрез формулите на Планк E = hν и Айнщайн E = mc² се изразява т.н. релативистка маса m на фотона (движещ се винаги със скоростта на светлината с):

p = mс = hνc/c² = hν /c = hν /λν = h /λ

Тогава дължината на вълната на Дьо Бройл за фотона се записва:  λ = h/р = h/mc

Дължината на вълната λ, която съответства на всяка друга частица с маса m в движение със скорост v, т.е. обект с импулс p = mv  се представя така:  λ = h/р = h/mv

Масата на микрочастиците е изключително малка и съответната дължина на вълната на Дьо Бройл е измерима експериментално. Техните вълнови свойства са ярко изразени. Обратно всяко масивно тяло от макросвета има изключително малка дължина на вълната т.е. не проявява вълнови свойства.