В 1923 году произошло событие, которое в значительной степени ускорило развитие квантовой физики. Французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.
Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p, а с другой стороны, волновые характеристики – частота ν и длина волны λ.
Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями, как и у фотона:
|
Гипотеза де Бройля постулировала эти соотношения для всех микрочастиц, в том числе и для таких, которые обладают массой m. Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны λ = h / p. Для частиц, имеющих массу,
|
В нерелятивистском приближении (υ<< c)
|
Гипотеза де Бройля основывалась на соображениях симметрии свойств материи и не имела в то время опытного подтверждения. В течение нескольких лет целый ряд выдающихся физиков XX века – В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак, Н. Бор и другие – разработали теоретические основы новой науки, которая была названа квантовой механикой.
Первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году. В следующем 1928 году английский физик Дж. Томсон (сын Дж. Томсона, открывшего за 30 лет до этого электрон) получил новое подтверждение гипотезы де Бройля. В своих экспериментах Томсон наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота.
На установленной за фольгой фотопластинке отчетливо наблюдались концентрические светлые и темные кольца, радиусы которых изменялись с изменением скорости электронов (т.е. длины волны) согласно де Бройлю (рис.1).
|
| Рисунок 1. Картина дифракции электронов на поликристаллическом образце при длительной экспозиции (a) и при короткой экспозиции (b). В случае (b) видны точки попадания отдельных электронов на фотопластинку. |
Также было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности.
Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков.
Рассмотрим пример. Вычислить дебройлевскую длину волны мяча массой 0,20 кг, летящего со скоростью 15 м/с.
λ = 
= 
такая длина волны слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить и измерить.
Другое дело, если речь идет о крошечных элементарных частицах типа электронов.
Рассмотрим другой пример: определить дебройлевскую длину волны электрона, ускоренного разностью потенциалов 100В.
Предположим, что скорость электрона v ‹‹ с и мы можем воспользоваться нерелятивистской механикой. Приращение Ек = уменьшению Еп, поэтому
v = 
= 5,9·106 м/с, откуда
λ = =
λ = = 
или 0,12 нм, а это размер порядка размера атома.
Такие длины волн уже можно обнаружить экспериментально. Хочется еще раз подчеркнуть, что представить наглядно корпускулярно-волновой дуализм невозможно.
Волны де Бройля не электромагнитные, они имеют специфическую квантовую природу, неимеющую аналогии с волнами в классической физике.