Волновая природа материи. Гипотеза Луи-де-Бройля.

В 1923 г. Луи де Бройль расширил представление о корпускулярно-волновом дуализме. Глубоко осознав существующую в природе симметрию, он высказал гипотезу о том, что поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других как частица, то и объекты, которые мы считаем материальными частицами (электроны и другие элементарные частицы), могли бы обладать волновыми свойствами. Де Бройль предположил, что длина волны, отвечающая частице, связана с ее импульсом так же, как в случае фотона, т.е. . Иначе говоря, длина волны l, отвечающая частице с массой m, которая движется со скоростью u, определяется формулой

Величину l иногда называют де-бройлевской длиной волны частицы. Это чрезвычайно малая длина волны. Даже при крайне низких скоростях , т.е. дебройлевскую длину волны вследствие ее малости сложно обнаружить и измерить. Дело в том, что типичные волновые явления- интерференция и дифракция- проявляются только тогда, когда размеры предметов или щелей сравнимы по своей величине с длиной волны. Но нам не известны предметы или щели, на которых могли бы дифрагировать волны с длиной волны 10^-30м, поэтому волновые свойства обычных тел обнаружить не удается.

Если же речь идет о крошечных элементарных частицах типа электронов, которые имеют массу m=9,1*10^-31кг и допустим задать им скорость м/с, то длина волны l пропорциональна 10^-10м, несмотря на то, что это очень короткие длины волн, тем не менее их можно обнаружить экспериментально: межатомные расстояния в кристаллах того же порядка, что и данная длина волны, и регулярно расположенные атомы в кристалле можно использовать в качестве дифракционной решетки.

Опыты Дэвидсона и Джермера.

Дэвидсон и Джермер наблюдали отражение электронного пучка от поверхности кристалла. В первом опыте на монокристалл никеля направляли электроны с энергией в несколько десятков электрон-вольт. Затем, изменяя угол падения электронов на поверхность кристалла, фиксировали изменение интенсивности отраженного пучка. Зависимость интенсивности отраженного

пучка от угла скольжения а показана на рис. 35. На полярной диаграмме отчетливо виден максимум интенсивности отражения при угле a₀.

Во втором опыте при фиксированном угле падения электронного пучка на кристалл измерялась интенсивность отраженного пучка в зависимости от энергии Интенсивность пучка отраженных электронов измерялась по силе тока от коллектора электронов К (рис. 36).

Результаты эксперимента показаны на рис. 37.

Результаты опытов Дэвидсона и Джермера получили объяснение (1927) как проявление волновой природы электронов и дали количественное подтверждение справедливости формул де Бройля.

В теоретическом плане анализ дифракции электронных волн полностью совпадает с дифракцией рентгеновских лучей. Расчет длины волны по дифракционной картине совпадает с длиной волны предсказанной Луи-де- Бройля.