Квантовая физика примеры решения задач Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел

Гипотеза де Бройля

Гипотеза де Бройля о волновых свойствах вещества. Де Бройль, развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой при­роде света, выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он предположил, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также вол­новыми свойствами. Итак, согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия Е и импульс р, а с другой - волновые характеристики - частота  и длина волны . Количественные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

 .

(11.10)

Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляется волновой процесс, длина волны которого определяется по формуле де Бройля:

.

(11.11)

 Атомная физика. Экспериментальные факты, лежащие в основе квантовой теории. Волновые и корпускулярные свойства материи.

Де Бройль предложил, что каждая орбита в атоме водорода соответствует волне, распространяющейся по окружности около ядра атома. Стационарная орбита возникает в том случае, когда волна непрерывно повторяет себя после каждого оборота вокруг ядра. Другими словами, стационарная орбита соответствует круговой стоячей волне де Бройля на длине орбиты (рис. 11.9). Это явление очень похоже на стационарную картину стоячих волн в струне с закрепленными концами. В стационарном квантовом состоянии атома водорода на длине орбиты должно укладываться по идее де Бройля целое число длин волн λ, то есть

nλn = 2πrn 

(11.10)

Подставляя в это соотношение длину волны де Бройля λ = h / p, где p = meυ – импульс электрона, получим:

 или 

(11.11)

Таким образом, боровское правило квантования (11.3) связано с волновыми свойствами электронов.



Рис.11.9. Иллюстрация идеи де Бройля возникновения стоячих волн на стационарной орбите для случая n = 4.

Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля. Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. В 1927 г. К. Дэвиссон и Л. Джермер обнару­жили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки - кристалла никеля,- дает отчетливую дифракционную картину. Дифракционные максимумы соответствовали формуле Вульфа – Брэггов, а брэгговская длина волны оказалась в точности равной длине волны, вычисленной по формуле (11.11).

В дальнейшем формула де Бройля была подтверждена опытами П.С. Тартаковского и Г. Томсона, наблюдавших дифракционную картину при прохождении пучка быстрых электронов (энергия == 50 кэВ) через металлическую фольгу (толщиной ≈ 1 мкм).

Впоследствии дифракционные явления обнаружили также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать движение микрочастиц в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля (11.11). Открытие волновых свойств микрочастиц привело к появлению и развитию новых методов исследования структуры веществ, таких, как электронография и нейтронография, а также к возникновению новой отрасли науки - электронной оптики.

Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что перед нами универсальное явление, общее свойство материи. Но тогда волновые свойства должны быть присущи и макро­скопическим телам. Почему же они не обнаружены экспериментально? Например, частице массой 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с соответствует волна де Бройля с λ = 6,62 · 10-31 м. Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области. Поэтому считается, что макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств - корпускулярную и не проявляют волновую.


Элементы квантовой механики и физики атомов, молекул, твердых тел