Onde di materia (de Broglie)

Onde di materia di de Broglie

De Broglie propose che ogni oggetto in moto ha una lunghezza d'onda, non solo la luce. Un oggetto veloce e pesante ha una λ incredibilmente piccola, ma una particella leggera e lenta come un elettrone ha una λ abbastanza grande da farlo diffrangere — piegarsi e interferire — come un'onda attraverso un cristallo.

La formula

λ = h / p

  • λ — lunghezza d'onda (m): la lunghezza dell'onda di materia associata all'oggetto in moto
  • h — costante di Planck (J·s): un numero fisso minuscolo, circa 6.63 × 10⁻³⁴ joule-secondo
  • p — quantità di moto (kg·m/s): massa per velocità — quanto moto trasporta l'oggetto

Esempio risolto

Un elettrone ha quantità di moto di 6.63 per dieci alla meno ventiquattro chilogrammi metri al secondo. Qual è la sua λ di de Broglie?

  • h = 6.63 × 10⁻³⁴ J·s
  • p = 6.63 × 10⁻²⁴ kg·m/s
  1. λ = h / p
  2. λ = (6.63 × 10⁻³⁴ J·s) / (6.63 × 10⁻²⁴ kg·m/s)

λ = 1 × 10⁻¹⁰ m

Mettiti alla prova

Se la quantità di moto dell'elettrone raddoppia a 1.326 × 10⁻²³ chilogrammi metri al secondo, cosa succede alla sua λ?
  • Risposta corretta: Si dimezza a 5 × 10⁻¹¹ m
  • Raddoppia a 2 × 10⁻¹⁰ m
  • Resta a 1 × 10⁻¹⁰ m

Giusto! Lunghezza d'onda e quantità di moto sono inversamente correlate: λ = h / p = (6.63 × 10⁻³⁴) / (1.326 × 10⁻²³) = 5 × 10⁻¹¹ m.

Anche una palla lanciata ha una λ di de Broglie. Perché non la vediamo mai diffrangere come l'elettrone?
  • Le palle non hanno lunghezza d'onda
  • Risposta corretta: La sua λ è troppo piccola da rivelare
  • Le palle sono troppo lente per avere quantità di moto

Esatto — l'enorme quantità di moto rende h su p inimmaginabilmente piccolo, ben sotto qualsiasi cosa possa diffrangere.

Dove lo vedi

Un microscopio elettronico vede virus e strutture proteiche che nessun microscopio ottico può risolvere, per un motivo preciso: gli elettroni accelerati trasportano una lunghezza d'onda migliaia di volte più corta della luce visibile, ed è la lunghezza d'onda a fissare la risoluzione. La macchina è λ = h / p su un banco di laboratorio.

Errori comuni

La trappola del riscalamento: la quantità di moto sta in fondo alla frazione, quindi raddoppiare la quantità di moto di un elettrone NE DIMEZZA la lunghezza d'onda (l'elettrone della lezione scende a 5 × 10⁻¹¹ m) — più veloce significa più piccolo, non più grande. Il secondo errore è riservare le onde alle cose minuscole: una palla da baseball lanciata ha anch'essa una lunghezza d'onda, esattamente per la stessa legge; è solo che la sua quantità di moto è così enorme che la lunghezza d'onda risulta troppo piccola per essere osservata.

Come si collega

Il ribaltamento di de Broglie completa la dualità iniziata con l'effetto fotoelettrico e la diffusione Compton: le onde sono particelle, quindi le particelle sono onde — e i misteriosi pioli di Bohr all'improvviso acquistano senso come onde elettroniche stazionarie intorno all'atomo. Il principio di indeterminazione, la prossima lezione, è il cartellino del prezzo attaccato a questa natura ondosa.

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