Louis de Broglie:Πρωτοπόρος της δυαδικότητας κυμάτων-σωματιδίων

Ιστορία του Louis De Broglie

Ο Louis De Broglie γεννήθηκε στις 15 Αυγούστου 1892 και ήταν Γάλλος φυσικός. Ο De Broglie ήταν πιο διάσημος για την ανακάλυψη του μήκους κύματος των ηλεκτρονίων (που προσδιορίζεται παρακάτω). Στα πρώτα του χρόνια, ο De Broglie σπούδασε θεωρητική φυσική στα 18 του, ενώ πήρε και το πτυχίο του στην ιστορία. Περιέγραψε το μυαλό του ως «καθαρό θεωρητικό από αυτό ενός πειραματιστή ή μηχανικού, που αγαπά ιδιαίτερα τη γενική και φιλοσοφική άποψη». Ο De Broglie ενδιαφερόταν για έννοιες και τα μυστήρια της ατομικής φυσικής ήταν αυτό που τον τράβηξε στο πεδίο.

Το 1924, θα αναπτύξει τη θεωρία του για τα κύματα που συνοδεύουν τα σωματίδια, η οποία αργότερα θα οδηγήσει στη γενίκευσή του ότι όλοι οι τύποι ύλης έχουν κυματικές ιδιότητες. Κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1929 και η μετέπειτα καριέρα του θα συνίστατο στη διδασκαλία θεωρητικής φυσικής ως καθηγητής στο Ινστιτούτο Henri Poincaré.

Μήκος κύματος του De Broglie

Ένα μήκος κύματος αντιπροσωπεύεται ως λ, ισοδύναμο με την ταχύτητα ενός κυματοδρομίου διαιρούμενο με τη μάζα και τη σταθερά. Θα δοθούν παραδείγματα για το πώς φαίνεται, αλλά πρώτα, από πού ακριβώς προέρχεται αυτός ο τύπος; Το μήκος κύματος De Broglie ζωντάνεψε το 1924 όταν ο Louis De Broglie θεώρησε ότι τα σωματίδια έχουν επίσης κυματικές ιδιότητες.

Αν και στα καθημερινά αντικείμενα δεν μπορούμε να δούμε ή να αισθανθούμε τα μήκη κύματος λόγω του μικρού μεγέθους, στα υποατομικά σωματίδια είναι εξαιρετικά ορατά και ενεργά. Ο De Broglie πρότεινε ότι κάθε σωματίδιο ύλης που περιέχει ορμή έχει επίσης ένα μήκος κύματος συνδεδεμένο με αυτό. Με απλά λόγια, τα σωματίδια μπορούν επίσης να εκφραστούν ως κύματα. Η γενίκευση του De Broglie σχετικά με τη δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου συνέβαλε στην καθολική ατομική θεωρία και άλλαξε τη μελέτη της κβαντικής μηχανικής.

Το ατομικό μοντέλο

Η θεωρία κυματοσωματιδίων του De Broglie συνέβαλε επίσης στο μοντέλο Bohr για το άτομο υδρογόνου. Το μοντέλο Bohr είναι ένα δομικό μοντέλο ενός ατόμου και τα ηλεκτρόνια απεικονίζονται ως κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα του ατόμου. Τελικά, το μοντέλο του Bohr αποδείχθηκε ακριβές μόνο για το άτομο υδρογόνου, αλλά η θεωρία δυαδικότητας κυμάτων-σωματιδίων του De Broglie βοήθησε στη μείωση των χασμάτων στο μοντέλο του Bohr και παρουσίασε το ηλεκτρόνιο ως ένα σωματίδιο με κυματοειδές δακτύλιο γύρω του. Η υπόθεση του De Broglie κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ένας ορισμένος αριθμός μηκών κύματος πρέπει να ταιριάζει στην περιφέρεια της τροχιάς των ηλεκτρονίων μέσα στο άτομο του υδρογόνου, αλλάζοντας μόνιμα τον τρόπο εμφάνισης του μοντέλου υδρογόνου.

Παρατηρήστε τη διαφορά μεταξύ της οπτικοποίησης του ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου. Το μοντέλο De Broglie-Bohr τονίζει τις κυματοειδείς ιδιότητες του σωματιδίου, ενώ το μοντέλο Bohr δεν εμφανίζει τις κυματικές ιδιότητες.

Η εξίσωση του De Broglie

Η εξίσωση δηλώνει ότι το μήκος κύματος ενός αντικειμένου είναι ίσο με τη σταθερά του Planck διαιρούμενο με τη μάζα και την ταχύτητα. Παρακάτω είναι ένα απλό παράδειγμα προβλήματος για την επίλυση αυτής της εξίσωσης!

Παράδειγμα προβλημάτων

ΠΡΟΒΛΗΜΑ 1: Βρείτε το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου που κινείται με ταχύτητα 4,44 x 104 m/s.

ΕΞΗΓΗΣΗ: Η εξίσωση του De Broglie είναι λ =h/mv, και ξέρουμε ότι ζητά το μήκος κύματος, το οποίο είναι λ. Τρεις άλλοι παράγοντες ισοδυναμούν με το μήκος κύματος, τη μάζα ενός ηλεκτρονίου, την ταχύτητα του ηλεκτρονίου και τη σταθερά του Planck. Αυτή η εξίσωση μας δίνει την ταχύτητα, τη σταθερά του Planck και τη μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 9,11 x 10-31 kg.

λ =(6,626 x 10-34 J·s) / ((4,44 x 104 m/s)(9,11 x 10-31 kg))

λ =(6,626 x 10-34 J·s) / (4,04484 x 10-26 kgm/s)

λ =1,638 x 10-8 m

Το μήκος κύματος είναι 1,638 x 10-8 m.

ΠΡΟΒΛΗΜΑ 2: Ένα ηλεκτρόνιο έχει μήκος κύματος 1,638 x 10-8 m. Χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, βρείτε την ταχύτητα (ταχύτητα) του ηλεκτρονίου.

ΕΞΗΓΗΣΗ: Ομοίως, έχουμε τρεις παράγοντες για να το λύσουμε, εκτός από αυτή την περίπτωση έχουμε το μήκος κύματος, τη μάζα και τη σταθερά του Planck. Για να βρούμε την ταχύτητα, θα πρέπει να αντιστρέψουμε την κανονική διαδικασία που κάνουμε για να βρούμε το μήκος κύματος.

1,638 x 10-8 m =(6,626 x 10-34 J·s) / ((9,11 x 10-31 kg) * v)

(1,638 x 10-8 m)((9,11 x 10-31 kg) * v)) =(6,626 x 10-34 J·s)

(1,492218 x 10-38 )(v) =(6,626 x 10-34 J·s)

(v) =(6,626 x 10-34 J·s) / (1,492218 x 10-38 )

v =44403.6997275

Τελικά, η ταχύτητά μας είναι 4,44 104 m/s όταν μετατρέπεται σε επιστημονική σημείωση και μπορείτε να την συνδέσετε για να δείτε εάν τα μήκη κύματος ταιριάζουν!