De Broglie Hypotes

De Broglie-hypotesen föreslår att all materia uppvisar vågliknande egenskaper och relaterar den observerade våglängden för materia till dess fart. Efter att Albert Einsteins fotonteori accepterades blev frågan huruvida detta endast var sant för ljus eller om materiella föremål också visade vågliknande beteende. Så här utvecklades De Broglie-hypotesen.

De Broglies avhandling

I hans doktorsavhandling 1923 (eller 1924, beroende på källa), gjorde den franska fysikern Louis de Broglie en djärv påstående. Med tanke på Einsteins våglängdsförhållande lambda till fart p, de Broglie föreslog att detta förhållande skulle bestämma våglängden för varje fråga, i förhållandet:

lambda = h / p

minnas det h är Plancks konstant

Denna våglängd kallas de Broglie våglängd. Anledningen till att han valde momentumekvationen framför energiekvationen är att det var oklart, med materia, om E bör vara total energi, kinetisk energi eller total relativistisk energi. För fotoner är de alla desamma, men inte så för materia.

Om man antar momentumförhållandet tillät emellertid härledningen av ett liknande de Broglie-förhållande för frekvens f med hjälp av den kinetiska energin E_k:

f = E_k / h

Alternativa formuleringar

De Broglies relationer uttrycks ibland i termer av Diracs konstant, h-bar = h / (2pi) och vinkelfrekvensen w och vågenummer k:

p = h-bar * kE_k

= h-bar * w

Experimentell bekräftelse

1927 utförde fysikerna Clinton Davisson och Lester Germer, från Bell Labs, ett experiment där de avfyrade elektroner mot ett kristallint nickelmål. Det resulterande diffraktionsmönstret matchade förutsägelserna om de Broglie våglängden. De Broglie fick Nobelpriset 1929 för sin teori (första gången det någonsin delades ut för en doktorsavhandling) och Davisson / Germer vann det tillsammans 1937 för experimentell upptäckt av elektrondiffraktion (och därmed bevisningen av de Broglies hypotes).

Ytterligare experiment har hållit de Broglies hypotes som sant, inklusive kvantvarianter av dubbelslitsexperimentet. Diffraktionsexperiment 1999 bekräftade de Broglie våglängd för beteende hos molekyler så stora som buckyballs, som är komplexa molekyler som består av 60 eller fler kolatomer.

Betydelse av de Broglie-hypotesen

De Broglie-hypotesen visade att vågpartikeldualitet inte bara var ett avvikande beteende av ljus, utan snarare var en grundläggande princip som visades av både strålning och materia. Som sådan blir det möjligt att använda vågekvationer för att beskriva materialets beteende, så länge man tillämpar de Broglie-våglängden på rätt sätt. Detta skulle visa sig vara avgörande för kvantmekanikens utveckling. Det är nu en integrerad del av teorin om atomstruktur och partikelfysik.

Makroskopiska objekt och våglängd

Även om de Broglies hypotes förutsäger våglängder för materia av vilken storlek som helst, finns det realistiska gränser för när det är användbart. En baseboll som kastas på en kanna har en de Broglie våglängd som är mindre än diametern på en proton med cirka 20 storleksordningar. Vågaspekterna av ett makroskopiskt objekt är så små att de inte kan observeras i någon användbar mening, även om det är intressant att musea om.