Fale materii, zwane też falami de Broglie'a jest to, alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego), sposób opisu
obiektów
materialnych
. Według hipotezy de Broglie'a
dualizmu korpuskularno-falowego
każdy obiekt materialny może być opisywany na dwa sposoby: jako zbiór
cząstek
, albo jako
fala
(materii). Obserwuje się efekty potwierdzające falową naturę materii w postaci
dyfrakcji
cząstek elementarnych
a nawet całych
jąder atomowych
.
Wzór pozwalający wyznaczyć długość fali materii dla cząstki o określonym pędzie ma postać
gdzie:
- λ -
długość fali
cząstki,
- h -
stała Plancka
,
- p -
pęd
cząstki.
Korpuskularno-falowa natura materii jest jednym z głównych aspektów
mechaniki kwantowej
: każdy obiekt materialny może przejawiać naturę falową, co oznacza, że może podlegać
zjawiskom
dyfrakcji
i
interferencji
.
Stosunkowo łatwo jest zaobserwować efekty falowe w przypadku cząstek lekkich, np.
elektronów
(małe obiekty przejawiają właściwości falowe). Dyfrakcję i interferencję fal elektronów można uzyskać wykorzystując technikę zbliżoną do metod znanych z
krystalografii rentgenowskiej
.
Dzięki temu, że długość fali materii dla elektronu jest bardzo mała w porównaniu z długością fali światła, elektrony doskonale nadają się do obserwacji małych obiektów. Zostało to wykorzystane m.in. do budowy
mikroskopu elektronowego
, który ma wielokrotnie wyższą
rozdzielczość
od
mikroskopu optycznego
.
Powyższe rozważania dotyczą ruchu swobodnego cząstek (którym odpowiadałyby
fale płaskie
). W realnych przypadkach cząstce należy przypisać pewną grupę fal materii, tzw.
paczkę falową
. Pełny i ścisły obraz falowego aspektu materii daje
mechanika kwantowa
nazywana czasem mechaniką falową, gdzie mówi się o falach prawdopodobieństwa zamiast o falach materii.
Przykład dla obiektu makroskopowego
Obiekty makroskopowe też można traktować jak falę materii, ale długość takiej fali jest tak mała, że staje się niemierzalna. Mówi się, że obiekty makroskopowe nie ujawniają swoich własności falowych. Na przykład można obliczyć, że dla człowieka o masie 50
kg
poruszającego się z prędkością 10 km/h długość fali materii równa jest
Wartość ta jest tak mała, że nie sposób wykryć falowych własności człowieka.
Historia odkrycia
Hipoteza de Broglie'a
Pomysł opisu cząstek za pomocą fal pochodzi od
Louisa de Broglie'a
, który w
1924
roku uogólnił
teorię fotonową efektu fotoelektrycznego
. W tym czasie wiedziano już, że na potrzeby opisu niektórych
zjawisk fizycznych
, każdą
falę elektromagnetyczną
można traktować jako strumień cząstek -
fotonów
. Fotonom, mimo że nie mają
masy
, można przypisać pęd
gdzie λ -
długość fali
fotonu.
Propozycja De Broglie'a polegała na odwróceniu rozumowania - aby każdej cząstce o różnym od zera pędzie przypisać falę, o określonej długości i częstotliwości. Zgodnie z tym, de Broglie zaproponował odwrócenie zależności między pędem a długością fali, znanej dla fotonu, tak aby długość fali była wyrażona przez pęd cząstki. Hipoteza ta nie miała żadnych podstaw doświadczalnych i była czysto logiczną spekulacją.
Potwierdzenie doświadczalne
Mniej więcej w tym samym czasie, gdy de Broglie opublikował swoją koncepcję,
Clinton Joseph Davisson
i
Lester Germer
w
USA
badali zjawisko rozpraszania elektronów w
Bell Labs
. W 1926 r. Walter M. Elsasser, analizując wyniki ich badań, zaproponował takie dobranie parametrów eksperymentu, aby można było sprawdzić słuszność hipotezy de Broglie'a. Doświadczenie zostało przeprowadzone w roku 1927. Davisson i Germer jako pierwsi zaobserwowali wówczas dyfrakcję elektronów na
krysztale
niklu
. Wyniki te potwierdził później
George P. Thomson
w
Szkocji
, za co w roku
1937
cała trójka otrzymała
nagrodę Nobla
w dziedzinie fizyki
.
Zobacz też
Linki zewnętrzne