Fale materii

Z Wikipedii

Fale materii, zwane też falami de Broglie'a jest to, alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego), sposób postrzegania obiektów materialnych. Według hipotezy dualizmu korpuskularno-falowego każdy obiekt może być opisywany na dwa sposoby: jako cząstka/obiekt materialny albo jako fala (materii).

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, z każdą falą elektromagnetyczną można stowarzyszyć pewną cząstkę - foton. Propozycja De Broglie'a polegała na tym, aby każdej cząstce o różnym od zera pędzie przypisać falę, o określonej długości i częstości. Propozycja ta wychodziła naprzeciw wynikom eksperymentalnym, które świadczyły, że w pewnych sytuacjach każda cząstka może zachowywać się jak fala.

Zgodnie z tym, de Broglie zapostulował odwrócenie zależności wyrażającej pęd fotonu stowarzyszonego z falą elektromagnetyczną (zależności znanej z teorii fotonowej), czyli długość fali materii stowarzyszonej z cząstką miała wyrażać się przez pęd cząstki:

gdzie:

• λ - długość fali
• h - stała Plancka
• p - pęd cząstki

Podobnie każdej cząstce o energii E należy przyporządkować inną typową charakterystykę fali, tj. częstotliwość. Wynosi ona f = E / h.

Korpuskularno-falowa natura materii jest jednym z głównych wyników mechaniki kwantowej: każdy obiekt materialny może przejawiać naturę falową, co oznacza, że może podlegać zjawiskom dyfrakcji i interferencji. 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.

Dla elektronu długość fali jest większa, dzięki czemu można obserwować dyfrakcję i interferencję fal materii elektronu. Wykorzystuje się tu technikę zbliżoną do tych znanych z krystalografii rentgenowskiej. Po raz pierwszy dyfrakcję fal elektronowych na krysztale zaobserwowali Clinton Joseph Davisson w USA oraz George Paget Thomson w Szkocji, za co w 1937 roku otrzymali nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Dzięki temu, że długość fali materii dla elektronu jest bardzo mała w porównaniu z długością fali światła, elektrony (także neutrony, jony, itd) doskonale nadają się do obserwacji małych obiektów. Na tej zasadzie opiera się m.in. budowa mikroskopu elektronowego.

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.

Zobacz też: zasada nieoznaczoności, mechanika kwantowa.