Волны де Бройля

ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ, волны вероятности, связанные со свободно движущейся микрочастицей и отражающие её квантовую природу. В 1923 году Л. де Бройль высказал гипотезу о том, что всем видам материи - физическим полям, электронам, атомам и тому подобное - присущи свойства, как частицы, так и волны (корпускулярно-волновой дуализм). Такие свойства были открыты ранее у квантов электромагнитного поля - фотонов, которые проявляли волновые свойства (например, в явлениях дифракции и интерференции света), а с другой стороны, взаимодействовали с веществом как частицы, обладающие определёнными значениями энергии и импульса, например в явлении фотоэффекта. В соответствии с корпускулярно-волновым дуализмом с частицей, обладающей энергией Е и импульсом р, связана волна с частотой v= Е/h и длиной волны λ = h/р, где h - постоянная Планка. Такие волны получили название волн де Бройля.

Для частиц не очень высокой энергии λ= h/mv (где m и v - масса и скорость частицы), т. е. длина волн де Бройля тем меньше, чем больше масса и скорость частицы. Например, частице массой 1 г, движущейся со скоростью 1м/с, соответствует волна де Бройля λ≈10^-17 нм; такие длины волн лежат за пределами доступной наблюдению области, поэтому в механике макроскопических тел волновые свойства несущественны и не учитываются. Для электронов с энергиями от 1 эВ до 10⁴ эВ длины волн де Бройля лежат в рентгеновском диапазоне длин волн. Волновые свойства таких электронов должны проявляться в возникновении дифракции при их рассеянии на кристаллах (аналогично дифракции рентгеновских лучей). Явление дифракции электронов на кристаллах обнаружено в 1927 году в опытах К. Дж. Дэвиссона и американского физика Л. Джермера, и гипотеза де Бройля получила экспериментальное подтверждение. Позднее были экспериментально открыты волновые свойства протонов, нейтронов, атомов и других частиц (смотри Дифракция частиц).

Универсальность корпускулярно-волнового дуализма принципиально изменила представление о микромире. Поскольку все объекты микромира нельзя считать только частицей или только волной в классическом понимании этих терминов, возникла потребность создания теории, в которой волновые и корпускулярные свойства частиц проявлялись бы одновременно, дополняя друг друга; такой теорией стала квантовая механика. В 1926 году М. Борн выдвинул идею о том, что волновым законам подчиняется величина, описывающая состояние частицы и называемая её волновой функцией ψ(х, t), квадрат модуля которой определяет вероятность нахождения частицы в точке пространства с координатами х в момент времени t. Волновая функция свободно движущейся частицы с импульсом р и есть волна де Бройля; в частном случае движения вдоль оси х она имеет вид плоской волны:

(где ћ = h/2π). В этом случае | ψ |2 = const, т. е. вероятность обнаружить частицу во всех точках одинакова.

Лит. смотри при ст. Квантовая механика.

В. И. Григорьев.