Panoramica sull'ipotesi della lunghezza d'onda di De Broglie

L'ipotesi di De Broglie propone che tutta la materia mostri proprietà ondulate e riferisca l'osservato lunghezza d'onda della materia al suo slancio. Dopo Albert Einstein'steoria dei fotoni fu accettato, la domanda divenne se questo fosse vero solo per la luce o se gli oggetti materiali esibissero anche comportamenti ondulati. Ecco come è stata sviluppata l'ipotesi di De Broglie.

Nella sua tesi di dottorato del 1923 (o 1924, a seconda della fonte), il fisico francese Louis de Broglie ha fatto un'affermazione audace. Considerando la relazione di lunghezza d'onda di Einstein lambda allo slancio p, de Broglie ha proposto che questa relazione determinasse la lunghezza d'onda di qualsiasi questione, nella relazione:

lambda = h / p

Richiama questo h è la costante di Planck

Questa lunghezza d'onda è chiamata lunghezza d'onda di de Broglie. Il motivo per cui ha scelto l'equazione del momento sull'equazione dell'energia è che non era chiaro, con la materia, se E dovrebbe essere energia totale, energia cinetica o energia relativistica totale. Per i fotoni, sono tutti uguali, ma non così per la materia.

Supponendo che la relazione di momentum, tuttavia, ha permesso la derivazione di una relazione di de Broglie simile per frequenza f usando l'energia cinetica E_K:

f = E_K / h

Le relazioni di De Broglie sono talvolta espresse in termini della costante di Dirac, h-bar = h / (2pi) e la frequenza angolare w e numero d'onda K:

p = h-bar * kE_K

= h-bar * w

Nel 1927, i fisici Clinton Davisson e Lester Germer, dei Bell Labs, eseguirono un esperimento in cui sparavano elettroni contro un bersaglio di nichel cristallino. Il modello di diffrazione risultante corrispondeva alle previsioni della lunghezza d'onda di de Broglie. De Broglie ricevette il Premio Nobel 1929 per la sua teoria (la prima volta che fu mai assegnato per un Ph. D. tesi) e Davisson / Germer lo vinsero congiuntamente nel 1937 per la scoperta sperimentale della diffrazione di elettroni (e quindi la dimostrazione dell'ipotesi di de Broglie).

Ulteriori esperimenti hanno ritenuto vera l'ipotesi di de Broglie, comprese le varianti quantistiche di esperimento a doppia fenditura. Gli esperimenti di diffrazione nel 1999 hanno confermato la lunghezza d'onda di de Broglie per il comportamento di molecole grandi come buckyball, che sono molecole complesse costituite da 60 o più atomi di carbonio.

L'ipotesi di de Broglie ha mostrato che la dualità onda-particella non era semplicemente un comportamento aberrante della luce, ma era piuttosto un principio fondamentale esibito sia dalla radiazione che dalla materia. Come tale, diventa possibile usare equazioni d'onda per descrivere il comportamento materiale, purché si applichi correttamente la lunghezza d'onda di de Broglie. Ciò si rivelerebbe cruciale per lo sviluppo della meccanica quantistica. Ora è parte integrante della teoria della struttura atomica e della fisica delle particelle.

Sebbene l'ipotesi di De Broglie preveda lunghezze d'onda per materia di qualsiasi dimensione, ci sono limiti realistici su quando è utile. Una palla da baseball lanciata contro una brocca ha una lunghezza d'onda di de Broglie che è più piccola del diametro di un protone di circa 20 ordini di grandezza. Gli aspetti ondulatori di un oggetto macroscopico sono così piccoli da non essere osservabili in alcun senso utile, anche se interessanti da riflettere.