De Broglie Hypothese

De hypothese van De Broglie stelt voor dat alle materie golfachtige eigenschappen vertoont en de waargenomen golflengte van materie relateert aan zijn momentum. Nadat de fotontheorie van Albert Einstein werd geaccepteerd, werd de vraag of dit alleen waar was voor licht of dat materiële objecten ook golfachtig gedrag vertoonden. Hier is hoe de De Broglie-hypothese werd ontwikkeld.

De Broglie's scriptie

In zijn proefschrift van 1923 (of 1924, afhankelijk van de bron) deed de Franse natuurkundige Louis de Broglie een gewaagde bewering. Overweegt de golflengte-relatie van Einstein lambda op gang brengen p, de Broglie stelde voor dat deze relatie de golflengte van elke kwestie zou bepalen, in de relatie:

lambda = h / p

herhaal dat h is de constante van Planck

Deze golflengte wordt de genoemd de Broglie golflengte. De reden dat hij de momentumvergelijking verkoos boven de energievergelijking, is dat het onduidelijk was, met materie, of E moet totale energie, kinetische energie of totale relativistische energie zijn. Voor fotonen zijn ze allemaal hetzelfde, maar niet voor materie.

Uitgaande van de momentumrelatie stond het echter de afleiding toe van een vergelijkbare de Broglie-relatie voor frequentie f met behulp van de kinetische energie E_k:

f = E_k / h

Alternatieve formuleringen

De relaties van De Broglie worden soms uitgedrukt in termen van de constante van Dirac, h-bar = h / (2pi) en de hoekfrequentie w en golfnummer k:

p = h-bar * kE_k

= h-bar * w

Experimentele bevestiging

In 1927 voerden natuurkundigen Clinton Davisson en Lester Germer van Bell Labs een experiment uit waarbij ze elektronen afvuurden op een kristallijn nikkel-doelwit. Het resulterende diffractiepatroon kwam overeen met de voorspellingen van de de Broglie-golflengte. De Broglie ontving de Nobelprijs van 1929 voor zijn theorie (de eerste keer dat het ooit werd uitgereikt voor een proefschrift) en Davisson / Germer won het gezamenlijk in 1937 voor de experimentele ontdekking van elektronendiffractie (en dus het bewijs van de Broglie hypothese).

Verdere experimenten hebben de hypothese van De Broglie waargemaakt, inclusief de kwantumvarianten van het experiment met dubbele spleet. Diffractie-experimenten in 1999 bevestigden de de Broglie-golflengte voor het gedrag van moleculen zo groot als buckyballs, complexe moleculen bestaande uit 60 of meer koolstofatomen.

Betekenis van de de Broglie Hypothesis

De hypothese van de Broglie toonde aan dat dualiteit van golfdeeltjes niet alleen een afwijkend gedrag van licht was, maar eerder een fundamenteel principe dat werd vertoond door zowel straling als materie. Als zodanig wordt het mogelijk om golfvergelijkingen te gebruiken om het materiaalgedrag te beschrijven, zolang men de golflengte van de Broglie correct toepast. Dit zou cruciaal zijn voor de ontwikkeling van kwantummechanica. Het is nu een integraal onderdeel van de theorie van atomaire structuur en deeltjesfysica.

Macroscopische objecten en golflengte

Hoewel de hypothese van de Broglie golflengten voorspelt voor materie van elke grootte, zijn er realistische grenzen aan wanneer het nuttig is. Een honkbal gegooid naar een werper heeft een de Broglie-golflengte die kleiner is dan de diameter van een proton met ongeveer 20 ordes van grootte. De golfaspecten van een macroscopisch object zijn zo klein dat ze in nuttige zin niet waarneembaar zijn, hoewel interessant om over na te denken.