Visão geral da hipótese de comprimento de onda De Broglie

A hipótese de De Broglie propõe que toda matéria exiba propriedades ondulatórias e relacione as Comprimento de onda da matéria ao seu momento. Depois de Albert Einstein'steoria dos fótons tornou-se aceito, tornou-se a questão de saber se isso era verdade apenas para a luz ou se objetos materiais também exibiam um comportamento semelhante a uma onda. Aqui está como a hipótese de De Broglie foi desenvolvida.

Em sua dissertação de doutorado em 1923 (ou 1924, dependendo da fonte), o físico francês Louis de Broglie fez uma afirmação ousada. Considerando a relação de comprimento de onda de Einstein lambda momentum p, de Broglie propôs que esse relacionamento determinasse o comprimento de onda de qualquer assunto, no relacionamento:

lambda = h / p

lembre-se que h é a constante de Planck

Esse comprimento de onda é chamado de comprimento de onda de Broglie. A razão pela qual ele escolheu a equação do momento sobre a equação da energia é que não ficou claro, com a matéria, se E deve ser energia total, energia cinética ou energia relativista total. Para os fótons, eles são todos iguais, mas não é o caso.

Supondo que a relação de momento, no entanto, permitiu a derivação de uma relação de De Broglie semelhante para a frequência f usando a energia cinética E_k:

f = E_k / h

Os relacionamentos de De Broglie às vezes são expressos em termos da constante de Dirac, h-bar = h / (2pi) e a frequência angular W e número de onda k:

p = h-bar * kE_k

= h-bar * W

Em 1927, os físicos Clinton Davisson e Lester Germer, da Bell Labs, realizaram um experimento em que dispararam elétrons contra um alvo de níquel cristalino. O padrão de difração resultante correspondia às previsões do comprimento de onda de De Broglie. De Broglie recebeu o Prêmio Nobel de 1929 por sua teoria (a primeira vez que foi premiada com um Ph. D. e Davisson / Germer venceram em conjunto em 1937 pela descoberta experimental da difração de elétrons (e, portanto, pela comprovação da hipótese de De Broglie).

Experimentos posteriores mantiveram a hipótese de Broglie verdadeira, incluindo as variantes quânticas do experimento de dupla fenda. Experimentos de difração em 1999 confirmaram o comprimento de onda de De Broglie para o comportamento de moléculas tão grandes quanto as bolas de bucky, que são moléculas complexas compostas de 60 ou mais átomos de carbono.

A hipótese de De Broglie mostrou que a dualidade onda-partícula não era apenas um comportamento aberrante da luz, mas um princípio fundamental exibido tanto pela radiação quanto pela matéria. Como tal, torna-se possível usar equações de onda para descrever o comportamento do material, desde que se aplique adequadamente o comprimento de onda de De Broglie. Isso seria crucial para o desenvolvimento da mecânica quântica. Agora é parte integrante da teoria da estrutura atômica e da física de partículas.

Embora a hipótese de De Broglie preveja comprimentos de onda para questões de qualquer tamanho, existem limites realistas sobre quando é útil. Uma bola de beisebol lançada em um arremessador tem um comprimento de onda de Broglie menor que o diâmetro de um próton em cerca de 20 ordens de magnitude. Os aspectos ondulatórios de um objeto macroscópico são tão pequenos que são inobserváveis ​​em qualquer sentido útil, embora interessantes sobre os quais refletir.