Cosa sono le onde di materia?
Le onde di materia, chiamate anche onde di de Broglie, sono la natura ondulatoria di tutta la materia, compresi gli atomi che compongono il tuo corpo. Una delle prime e più importanti scoperte della fisica quantistica è che gli elettroni hanno una natura a doppia onda-particella. Divenne presto evidente che tutta la materia ha questa duplice natura, ma poiché la materia convenzionale ha un momento elevato rispetto agli elettroni, la lunghezza d'onda delle onde di materia è molto piccola e nella maggior parte dei casi quasi impercettibile. Ad esempio, la lunghezza d'onda della materia che costituisce una persona è dell'ordine di 10 −35 metri , molto più piccola di quanto si possa osservare usando le attuali tecnologie di misurazione.
Il concetto di onde di materia fu chiarito per la prima volta dal fisico francese Louis de Broglie, che stava estendendo le prime teorie proposte da Albert Einstein, Max Planck e Neils Bohr. Bohr ha studiato principalmente il comportamento quantistico degli atomi di idrogeno, mentre de Broglie ha cercato di estendere queste idee per determinare un'equazione della lunghezza d'onda per tutta la materia. De Broglie elaborò una teoria e la presentò nella sua tesi di dottorato del 1924, per la quale nel 1929 ricevette il premio Nobel per la fisica. Questo fu il primo caso in cui il premio Nobel fu assegnato per una tesi di dottorato.
Le equazioni note come relazioni di de Broglie descrivono la natura della doppia onda-particella di tutta la materia. Queste relazioni affermano che la lunghezza d'onda di una particella è inversamente proporzionale al suo momento (massa per velocità) e la sua frequenza è proporzionale alla sua energia cinetica, che è un valore (relativo) dipendente dalla trama. Pertanto, le particelle a basso momento, come gli elettroni a temperatura ambiente, hanno una lunghezza d'onda de Broglie di circa 8 nanometri. Le particelle con un momento ancora più basso, come gli atomi di elio a temperature di pochi nano Kelvin, potrebbero avere onde di materia con lunghezze d'onda lunghe fino a pochi micron. In tali condizioni insolite, le realtà del mondo quantistico sono quasi cresciute in un regno macroscale.
Le teorie di De Broglie sulle onde di materia furono confermate nel 1927, quando gli scienziati di Bell Labs Lester Germer e Clinton Davisson spararono elettroni lenti a un bersaglio di nichel cristallino. Il modello di diffrazione risultante ha dimostrato le caratteristiche ondulatorie degli elettroni, simili a quelle note per essere visualizzate da fotoni come quelli nei raggi X. Le onde di materia potevano essere osservate solo in questo caso perché gli elettroni usati per produrle avevano un momento molto basso. Dal 1927, la natura ondulata di varie altre particelle elementari è stata dimostrata empiricamente.