Pada tahun 1924, fisikawan teoritis muda Prancis Louis de Broglie memperkenalkan konsep gelombang materi ke dalam sirkulasi ilmiah. Asumsi teoretis yang berani ini memperluas sifat dualitas gelombang-partikel (dualitas) ke semua manifestasi materi - tidak hanya radiasi, tetapi juga partikel materi apa pun. Dan meskipun teori kuantum modern memahami "gelombang materi" secara berbeda dari penulis hipotesis, fenomena fisik yang terkait dengan partikel material ini menyandang namanya - gelombang de Broglie.
Sejarah lahirnya konsep
Model atom semiklasik yang diusulkan oleh N. Bohr pada tahun 1913 didasarkan pada dua postulat:
- Momentum sudut (momentum) elektron dalam atom tidak bisa berupa apa-apa. Itu selalu sebanding dengan nh/2π, di mana n adalah bilangan bulat apa pun yang dimulai dari 1, dan h adalah konstanta Planck, yang keberadaannya dalam rumus dengan jelas menunjukkan bahwa momentum sudut partikelterkuantisasi Akibatnya, ada satu set orbit yang diizinkan dalam atom, di mana hanya elektron yang dapat bergerak, dan, tetap di atasnya, ia tidak memancar, artinya, tidak kehilangan energi.
- Emisi atau penyerapan energi oleh elektron atom terjadi selama transisi dari satu orbit ke orbit lainnya, dan jumlahnya sama dengan perbedaan energi yang sesuai dengan orbit ini. Karena tidak ada keadaan peralihan antara orbit yang diizinkan, radiasi juga terkuantisasi secara ketat. Frekuensinya adalah (E1 – E2)/h, ini langsung mengikuti rumus Planck untuk energi E=hν.
Jadi, model atom Bohr "melarang" elektron memancar di orbit dan berada di antara orbit, tetapi pergerakannya dianggap secara klasik, seperti revolusi planet mengelilingi Matahari. De Broglie sedang mencari jawaban atas pertanyaan mengapa elektron berperilaku seperti itu. Apakah mungkin untuk menjelaskan keberadaan orbit yang dapat diterima secara alami? Dia menyarankan bahwa elektron harus disertai oleh beberapa gelombang. Kehadirannya yang membuat partikel "memilih" hanya orbit-orbit di mana gelombang ini cocok dengan bilangan bulat beberapa kali. Inilah arti dari koefisien bilangan bulat dalam rumus yang didalilkan oleh Bohr.
Ini mengikuti hipotesis bahwa gelombang elektron de Broglie bukanlah elektromagnetik, dan parameter gelombang harus menjadi karakteristik partikel materi apa pun, dan bukan hanya elektron dalam atom.
Menghitung panjang gelombang yang terkait dengan partikel
Ilmuwan muda mendapat rasio yang sangat menarik, yang memungkinkanmenentukan apa sifat gelombang ini. Apa yang dimaksud dengan gelombang de Broglie kuantitatif? Rumus untuk perhitungannya memiliki bentuk sederhana:=h/p. Di sini adalah panjang gelombang dan p adalah momentum partikel. Untuk partikel nonrelativistik, rasio ini dapat ditulis sebagai=h/mv, di mana m adalah massa dan v adalah kecepatan partikel.
Mengapa rumus ini menarik dapat dilihat dari nilai-nilai di dalamnya. De Broglie berhasil menggabungkan dalam satu rasio karakteristik sel dan gelombang materi - momentum dan panjang gelombang. Dan konstanta Planck menghubungkan mereka (nilainya kira-kira 6.626 × 10-27 erg∙s atau 6.626 × 10-34 J∙ c) set skala di mana sifat gelombang materi muncul.
"Gelombang materi" di dunia mikro dan makro
Jadi, semakin besar momentum (massa, kecepatan) suatu benda fisik, semakin pendek panjang gelombang yang terkait dengannya. Inilah alasan mengapa benda makroskopik tidak menunjukkan komponen gelombang sifatnya. Sebagai ilustrasi, cukuplah untuk menentukan panjang gelombang de Broglie untuk benda-benda dengan berbagai skala.
- Bumi. Massa planet kita adalah sekitar 6 × 1024 kg, kecepatan orbit relatif terhadap Matahari adalah 3 × 104 m/s. Mengganti nilai-nilai ini ke dalam rumus, kita mendapatkan (kurang-lebih): 6, 6 × 10-34/(6 × 1024 × 3 × 10 4)=3,6 × 10-63 m Dapat dilihat bahwa panjang "gelombang bumi" adalah nilai yang semakin kecil. Untuk kemungkinan pendaftarannya bahkan tidak adapremis teoretis yang jauh.
- Bakteri dengan berat sekitar 10-11 kg, bergerak dengan kecepatan sekitar 10-4 m/s. Setelah melakukan perhitungan serupa, orang dapat mengetahui bahwa gelombang de Broglie dari salah satu makhluk hidup terkecil memiliki panjang orde 10-19 m - juga terlalu kecil untuk dideteksi.
- Sebuah elektron bermassa 9,1 × 10-31 kg. Biarkan sebuah elektron dipercepat dengan beda potensial 1 V hingga kecepatan 106 m/s. Kemudian panjang gelombang gelombang elektron akan menjadi sekitar 7 × 10-10 m, atau 0,7 nanometer, yang sebanding dengan panjang gelombang sinar-X dan cukup sesuai untuk registrasi.
Massa elektron, seperti partikel lain, sangat kecil, tidak terlihat, sehingga sisi lain dari sifatnya menjadi terlihat - seperti gelombang.
Tingkat penyebaran
Membedakan antara konsep seperti fase dan kecepatan grup gelombang. Fase (kecepatan pergerakan permukaan fase identik) untuk gelombang de Broglie melebihi kecepatan cahaya. Fakta ini, bagaimanapun, tidak berarti kontradiksi dengan teori relativitas, karena fase bukanlah salah satu objek yang melaluinya informasi dapat ditransmisikan, sehingga prinsip kausalitas dalam hal ini tidak dilanggar dengan cara apa pun.
Kecepatan kelompok lebih kecil dari kecepatan cahaya, ini terkait dengan pergerakan superposisi (superposisi) dari banyak gelombang yang terbentuk karena dispersi, dan dialah yang mencerminkan kecepatan elektron atau lainnya partikel yang terkait dengan gelombang.
Penemuan eksperimental
Besarnya panjang gelombang de Broglie memungkinkan fisikawan untuk melakukan eksperimen yang mengkonfirmasi asumsi tentang sifat gelombang materi. Jawaban atas pertanyaan apakah gelombang elektron itu nyata bisa menjadi eksperimen untuk mendeteksi difraksi aliran partikel tersebut. Untuk sinar-X yang panjang gelombangnya dekat dengan elektron, kisi difraksi biasa tidak cocok - periodenya (yaitu, jarak antara guratan) terlalu besar. Node atom kisi kristal memiliki ukuran periode yang sesuai.
Sudah pada tahun 1927, K. Davisson dan L. Germer membuat percobaan untuk mendeteksi difraksi elektron. Kristal tunggal nikel digunakan sebagai kisi reflektif, dan intensitas hamburan berkas elektron pada sudut yang berbeda dicatat menggunakan galvanometer. Sifat hamburan mengungkapkan pola difraksi yang jelas, yang mengkonfirmasi asumsi de Broglie. Terlepas dari Davisson dan Germer, J. P. Thomson secara eksperimental menemukan difraksi elektron pada tahun yang sama. Beberapa saat kemudian, pola difraksi terbentuk untuk proton, neutron, dan berkas atom.
Pada tahun 1949, sekelompok fisikawan Soviet yang dipimpin oleh V. Fabrikant melakukan eksperimen yang berhasil menggunakan bukan berkas, melainkan elektron individu, yang memungkinkan pembuktian tak terbantahkan bahwa difraksi bukanlah efek apa pun dari perilaku kolektif partikel, dan sifat gelombang milik elektron seperti itu.
Pengembangan ide tentang "gelombang materi"
L. de Broglie sendiri membayangkan gelombang itu sebagaiobjek fisik yang nyata, terkait erat dengan partikel dan mengendalikan gerakannya, dan menyebutnya sebagai "gelombang percontohan". Namun, sambil terus menganggap partikel sebagai objek dengan lintasan klasik, ia tidak dapat mengatakan apa pun tentang sifat gelombang tersebut.
Mengembangkan gagasan de Broglie, E. Schrodinger sampai pada gagasan tentang sifat materi yang sepenuhnya gelombang, pada kenyataannya, mengabaikan sisi selnya. Partikel apa pun dalam pemahaman Schrödinger adalah sejenis paket gelombang kompak dan tidak lebih. Masalah dari pendekatan ini adalah, khususnya, fenomena terkenal dari penyebaran cepat paket gelombang tersebut. Pada saat yang sama, partikel, seperti elektron, cukup stabil dan tidak “tercemar” di luar angkasa.
Selama diskusi panas pada pertengahan 20-an abad XX, fisika kuantum mengembangkan pendekatan yang menyatukan pola sel dan gelombang dalam deskripsi materi. Secara teoritis, hal itu didukung oleh M. Born, dan esensinya dapat diungkapkan dalam beberapa kata sebagai berikut: gelombang de Broglie mencerminkan distribusi probabilitas menemukan partikel pada titik tertentu pada waktu tertentu. Oleh karena itu, ini juga disebut gelombang probabilitas. Secara matematis, ini dijelaskan oleh fungsi gelombang Schrödinger, solusinya memungkinkan untuk mendapatkan besarnya amplitudo gelombang ini. Kuadrat dari modulus amplitudo menentukan probabilitas.
Nilai hipotesis gelombang de Broglie
Pendekatan probabilistik, ditingkatkan oleh N. Bohr dan W. Heisenberg pada tahun 1927, terbentukdasar dari apa yang disebut interpretasi Kopenhagen, yang menjadi sangat produktif, meskipun adopsi diberikan kepada sains dengan mengorbankan model figuratif visual-mekanistik. Terlepas dari adanya sejumlah masalah kontroversial, seperti "masalah pengukuran" yang terkenal, pengembangan lebih lanjut dari teori kuantum dengan berbagai aplikasinya dikaitkan dengan interpretasi Kopenhagen.
Sementara itu, harus diingat bahwa salah satu fondasi keberhasilan fisika kuantum modern yang tak terbantahkan adalah hipotesis brilian de Broglie, pemahaman teoretis tentang "gelombang materi" hampir seabad yang lalu. Esensinya, terlepas dari perubahan dalam interpretasi aslinya, tetap tidak dapat disangkal: semua materi memiliki sifat ganda, berbagai aspeknya, yang selalu muncul secara terpisah satu sama lain, tetap saling berhubungan erat.
