Co to są fale materii?
Fale materii, zwane także falami de Broglie, są falową naturą całej materii, w tym atomów tworzących twoje ciało. Jednym z pierwszych i najważniejszych odkryć fizyki kwantowej jest to, że elektrony mają naturę podwójnej fali-cząstki. Wkrótce stało się jasne, że cała materia ma dwoistą naturę, ale ponieważ materia konwencjonalna ma wysoki pęd w stosunku do elektronów, długość fali fal materii jest bardzo mała, aw większości przypadków ledwo zauważalna. Na przykład długość fali materii składającej się na człowieka jest rzędu 10–35 metrów , znacznie mniejsza niż można to zaobserwować przy użyciu obecnych technologii pomiarowych.
Pojęcie fal materii zostało po raz pierwszy wyjaśnione przez francuskiego fizyka Louisa de Broglie, który rozwijał wczesne teorie zaproponowane przez Alberta Einsteina, Maxa Plancka i Neilsa Bohra. Bohr badał przede wszystkim zachowanie kwantowe atomów wodoru, podczas gdy de Broglie próbował rozszerzyć te idee, aby określić równanie długości fali dla całej materii. De Broglie opracował teorię i przedstawił ją w swojej rozprawie doktorskiej z 1924 r., Za którą w 1929 r. Otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Był to pierwszy przypadek, w którym Nagrodę Nobla przyznano za pracę doktorską.
Równania znane jako relacje de Broglie opisują dualną falowo-cząsteczkową naturę całej materii. Zależności te wskazują, że długość fali cząstki jest odwrotnie proporcjonalna do jej pędu (masa razy prędkość), a jej częstotliwość jest proporcjonalna do jej energii kinetycznej, która jest wartością zależną od ramki (względną). Zatem cząstki o niskim pędzie, takie jak elektrony w temperaturze pokojowej, mają długość fali de Broglie'a około 8 nanometrów. Cząstki o jeszcze niższym pędzie, takie jak atomy helu w temperaturach zaledwie kilku nano-Kelwinów, mogą mieć fale materii o długości fali nawet kilku mikronów. W tak niecodziennych warunkach rzeczywistość świata kwantowego jest prawie wychowana w sferze makroskali.
Teorie fal materii De Brogliego zostały potwierdzone w 1927 r., Kiedy naukowcy z Bell Labs, Lester Germer i Clinton Davisson, wystrzelili wolno poruszające się elektrony w krystaliczny nikiel. Powstały wzór dyfrakcyjny wykazał falowe właściwości elektronów, podobne do tych, o których wiadomo, że są wyświetlane przez fotony, takie jak te w promieniach rentgenowskich. Fale materii można było zaobserwować tylko w tym przypadku, ponieważ elektrony użyte do ich wytworzenia miały bardzo mały pęd. Od 1927 r. Empirycznie wykazano falową naturę różnych innych cząstek elementarnych.