Волны де Бройля

Луи де Бройль предположил, что у каждого движущегося объекта есть длина волны, не только у света. Быстрый тяжёлый объект имеет невероятно малую длину волны, но лёгкая медленная частица вроде электрона имеет длину волны, достаточную, чтобы дифрагировать — изгибаться и интерферировать — как волна, проходящая сквозь кристалл.

Формула

λ = h / p

  • λ — длина волны (m): длина волны материи, связанная с движущимся объектом
  • h — постоянная Планка (J·s): крошечное фиксированное число, около 6.63 × 10⁻³⁴ джоуль-секунд
  • p — импульс (kg·m/s): масса на скорость — сколько движения несёт объект

Решённый пример

Электрон имеет импульс 6.63 умножить на десять в минус двадцать четвёртой степени килограмм-метров в секунду. Какова его длина волны де Бройля?

  • 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

Проверьте себя

Если импульс электрона удваивается до 1.326 × 10⁻²³ килограмм-метров в секунду, что происходит с длиной волны?
  • Правильный ответ: Уполовинивается до 5 × 10⁻¹¹ m
  • Удваивается до 2 × 10⁻¹⁰ m
  • Остаётся 1 × 10⁻¹⁰ m

Верно! Длина волны и импульс связаны обратно: λ = h / p = (6.63 × 10⁻³⁴) / (1.326 × 10⁻²³) = 5 × 10⁻¹¹ м.

У брошенного бейсбольного мяча тоже есть длина волны де Бройля. Почему мы никогда не видим, чтобы он дифрагировал, как электрон?
  • У мячей на самом деле нет длины волны
  • Правильный ответ: Его длина волны слишком мала для обнаружения
  • Мячи движутся слишком медленно, чтобы иметь импульс

Точно — огромный импульс мяча делает h / p немыслимо малым, куда меньше всего, обо что он мог бы дифрагировать.

Где вы это видите

Электронный микроскоп различает вирусы и структуры белков, недоступные оптическому микроскопу, ровно по одной причине: ускоренные электроны несут длину волны в тысячи раз короче видимого света, а длина волны задаёт разрешение. Этот прибор — λ = h / p на лабораторном столе.

Частые ошибки

Ловушка масштабирования: импульс стоит в нижней части дроби, поэтому удвоение импульса электрона УПОЛОВИНИВАЕТ его длину волны (электрон из урока падает до 5 × 10⁻¹¹ m) — быстрее значит меньше, а не больше. Вторая ошибка — приберегать волны только для крошечных объектов: у брошенного бейсбольного мяча тоже есть длина волны, по точно тому же закону; просто его импульс настолько огромен, что длина волны неизмеримо мала.

Как это связано

Переворот де Бройля завершает дуализм, начатый фотоэффектом и рассеянием Комптона: раз волны — частицы, то и частицы — волны, и загадочные ступени Бора внезапно обретают смысл как стоячие электронные волны вокруг атома. Принцип неопределённости, следующий урок, — это ценник, прикреплённый к этой волновой природе.

Попробовать интерактивную симуляцию

Связанные концепции