3.5.4 Гіпотеза де Бройля. "Хвилі матерії"

Нагромадження суперечливих фактів про властивості світла (в одних випадках — типовий хвильовий процес, в інших — типова частинка-фотон), з одного боку, і постулати Бора, що пояснюють стійкість атома, — з іншого боку, вимагали однозначних пояснень.

їх запропонував Луї де Бройль у 1923 році. Де Бройль по-справжньому вірив у єдність природи і не міг навіть припустити, що світло - щось особливе, ні на що інше в природі не схоже. Він висунув гіпотезу, що не тільки світло, але і всі тіла в природі повинні володіти як корпускулярними, так і хвильовими властивостями одночасно. Але зрозуміти, що таке "хвиля матерії", звичайній людині важко; хвиля й частинка здаються нам зовсім несумісними поняттями. При слові "частинка" ми можемо уявити собі піщинку, камінь або навіть земну кулю; коли ми говоримо про хвилю, то уявляємо бурхливе море або струну, що бринить. І об'єднати ці уявлення в одному образі неможливо.

Фотон — частинка світла — має імпульс , де - довжина хвилі світла, якому відповідає цей фотон. Де Бройль припустив, що це співвідношення є універсальним, тобто руху частинок, що мають імпульс , відповідає довжина хвилі Ці хвилі одержали назву "хвилі де Бройля", або "хвилі матерії". Оскільки імпульс частинки дорівнює добутку її маси на швидкість руху ( ), то довжина хвилі де Бройля .

Дуже довго фізики не могли зрозуміти зміст гіпотези де Бройля. Сам автор уявляв хвилю - пілота, що на своєму горбу несе електрон; пройшло багато часу, поки звикли до думки, що хвиля де Бройля і є сам електрон.

Історія гіпотези, яку висунув де Бройль, більше ніж повчальна. Бувши за фахом істориком, він захопився фізикою під впливом старшого брата, визнаного вченого в галузі рентгенівських променів. У 1963 Луї де Бройль згадував: "Мій брат вважав > рентгенівські промені певною комбінацією хвилі й частинки, але, не будучи теоретиком, він не мав особливо чітких уявлень про цей предмет.... Він наполегливо звертав мою увагу на важливість і безсумнівну реальність дуальних аспектів хвилі й частинки. Ці довгі бесіди допомогли мені глибоко осмислити необхідність обов'язкового зв'язку хвильової і корпускулярної точки зору".

Свої ідеї де Бройль виклав у дисертації, що називалася "Дослідження з теорії квантів". Керівником роботи був Поль Ланжевен, фізик класичної школи. Він поставився до ідей свого учня доброзичливо, але дуже стримано. Дисертація потрапила на рецензування до А. Ейнштейна й справила на нього велике враження. Він написав М. Борну: "Прочитай її! Хоч і здається, що її написав божевільний, написана вона солідно". Творець хвильової механіки Е. Шредінгер згодом подякував Ейнштейнові за те, що той "дав йому щигля в носа, вказавши на важливість ідеї де Бройля".

Прямий доказ існування хвильових властивостей електронів було отримано через три роки завдяки експериментам американських фізиків К. Девіссона і Л. Джермера. Вивчаючи відбивання електронів від поверхні кристалів, вони виявили, що електрони добре відбиваються тільки в тому випадку, якщо бомбардують кристал під певним кутом до його поверхні. Подібний ефект спостерігається і при взаємодії рентгенівських променів із кристалом — це було добре відомо. Підставивши у відомі формули, що описують дифракцію хвиль на кристалі, довжину хвилі де Бройля замість довжини хвилі рентгенівських променів, одержали повний збіг теорії й експерименту.

Як і багато інших відкриттів, дифракцію електронів було виявлено цілковито "випадково", хоч випадок говорить тільки до підготовленого розуму. Незабаром син знаменитого Дж. Дж. Томсона, що відкрив електрон, — Джозеф Томсон спостерігав дифракцію не на монокристалі, як Девіссон і Джермер, а на полікристалічній металевій фользі. Він одержав прекрасні фотографії дифракції електронів, що повністю нагадували дифракцію рентгенівських променів. Це було природно, оскільки електрони, прискорені потенціалом усього лише 100 вольтів, мають довжину хвилі де Бройля приблизно м — тобто її можна порівняти з довжиною хвилі рентгенівських променів і розмірами атома.

Пізніше явище дифракції частинок знайшло широке застосування для вивчення структури твердого тіла і його поверхні. Створено й широко використовуються для цих цілей електронні мікроскопи й електронографи.