Теория волн: из чего все состоит

Тот факт, что свет или электромагнитное излучение обладает свойствами частиц, был известен со времен Комптона. Луи Де Бройль предположил и доказал обратное. Согласно его теории, все частицы обладают волновыми свойствами.

Общие сведения

Материальные волны, называемые также волнами де Бройля, являются главным элементом всей материи, в том числе атомов, из которых состоит наше тело. Одним из первых и наиболее важных выводов квантовой физики является предположение, что электроны имеют двойственную природу. Они могут быть как волной, так и частицей. Вскоре стало очевидно, что вся материя обладает этой же природой. Именно поэтому вещество, отчасти, обладает теми же свойствами что и электроны, которые являются частицами.

Однако длина волны частиц материи очень мала, и в большинстве случаев они едва заметны. Например, длина волны материи человеческого тела составляет порядка 10 нанометров. Это намного меньше, чем можно заметить с использованием современных технологий.

Теория и ее доказательство

Концепция волн материи была впервые предложена французским физиком Луи Де Бройлем. Он лишь расширил гипотезу, выдвинутую Альбертом Эйнштейном, Максом Планком и Нильсом Бором. Бор в первую очередь изучил квантовое поведение атомов водорода, в то время как де Бройль пытался расширить эти идеи, чтобы определить уравнение волны для всех видов материи. Де Бройль создал свою теорию и представил ее в качестве кандидатской диссертации, за которую он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1929 году. Это был первый случай, когда Нобелевская премия была присуждена за кандидатскую диссертацию.

Уравнения, известные как Гипотеза Де Бройля, описывают двойственную природу волн и частиц. Эти уравнения доказывают, что длина волны обратно пропорциональна ее импульсу и частоте, но прямо пропорциональна кинетической энергии. Энергия является относительным значением, которое зависит от единиц измерения. Таким образом, частицы с низким импульсом, такие как электроны, при комнатной температуре имеют дебройлевскую длину волны — около 8 нанометров. Частицы с еще более низким импульсом, такие как атомы гелия, при температурах лишь несколько нанокельвинов, будут иметь длину волны всего два-три микрона.

Гипотеза Де Бройля была подтверждена в 1927 году, когда ученые Лестер Гермер и Клинтон Дэвиссон бомбардировали никелевую пластину медленными электронами. В результате опыта получилась дифракционная картина, которая продемонстрировала волнообразные характеристики электронов. Дебройлевские волны можно наблюдать только при определенных условиях, потому что электроны, использующиеся для их обнаружения, должны обладать малым ускорением. С 1927 года волнообразный характер различных элементарных частиц был продемонстрирован и доказан эмпирически.