ルイ・ド・ブロイ:波動と粒子の二重性の先駆者

ルイ・ド・ブロイの歴史

ルイ・ド・ブロイは1892年8月15日に生まれたフランスの物理学者です。ド・ブロイは、電子の波長 (以下に詳述) の発見で最も有名です。初期のド・ブロイは、18 歳で理論物理学を学び、歴史学の学位も取得しました。彼は自分の心を「実験者や技術者よりも純粋な理論家であり、特に一般的で哲学的な見方を愛する」と表現しました。ド・ブロイは概念に興味があり、原子物理学の謎が彼をこの分野に引き込んだのです。

1924 年に、彼は粒子に伴う波についての理論を展開し、その後、あらゆる種類の物質には波の性質があるという一般化につながりました。彼は 1929 年にノーベル物理学賞を受賞し、その後のキャリアはアンリ ポアンカレ研究所の教授として理論物理学を教えることになります。

ド・ブロイの波長

波長は λ で表され、波列の速度を質量と定数で割ったものと等価です。それがどのように見えるかの例が提供されますが、その前に、その公式は正確にどこから来たのでしょうか?ド ブロイの波長は、1924 年にルイ ド ブロイが粒子にも波の性質があると理論化したときに生き返りました。

日常の物体では、サイズが小さいため波長を見たり感じたりすることはできませんが、素粒子では非常に可視的で活動的です。ド・ブロイは、運動量を含む物質の粒子にはそれに関連する波長があると示唆しました。簡単に言えば、粒子は波として表現することもできます。波動と粒子の二重性に関するド ブロイの一般化は、普遍的な原子理論に貢献し、量子力学の研究を変えました。

原子モデル

ド・ブロイの波動粒子理論も、水素原子のボーア模型に貢献しました。ボーアモデルは原子の構造モデルであり、電子は原子核の周りの円軌道として視覚化されます。最終的に、ボーア モデルは水素原子についてのみ正確であることが判明しましたが、ド ブロイの波動粒子双対理論はボーア モデルのギャップを軽減するのに役立ち、電子を周囲に波のようなリングを持つ粒子として表現しました。ド・ブロイの仮説は、特定の数の波長が水素原子内の電子の軌道の円周内に収まる必要があり、水素モデルの見た目を永久に変えるという結論に達しました。

ド・ブロイの方程式

この方程式は、物体の波長がプランク定数を質量と速度で割ったものに等しいことを示しています。以下は、この方程式を解くための簡単な問題の例です。

問題例

問題 1: 4.44 x 104 m/s で移動する電子の波長を求めます。

説明: ド・ブロイの方程式は λ =h/mv で、波長 λ を求めていることがわかります。他の 3 つの要素は、波長、電子の質量、電子の速度、プランク定数に相当します。この方程式は速度、プランク定数を与え、電子の質量は 9.11 x 10-31 kg です。

λ =(6.626 x 10-34 J·s) / ((4.44 x 104 m/s)(9.11 x 10-31 kg))

λ =(6.626 x 10-34 J·s) / (4.04484 x 10-26 kgm/s)

λ =1.638 x 10-8 m

波長は 1.638 x 10-8 m です。

問題 2: 電子の波長は 1.638 x 10-8 m です。この情報を使用して、電子の速度 (速度) を求めます。

説明: 同様に、これを解くには 3 つの要素がありますが、この状況では波長、質量、プランク定数が必要になります。速度を求めるには、波長を求める通常の手順を逆に行う必要があります。

1.638 x 10-8 m =(6.626 x 10-34 J·s) / ((9.11 x 10-31 kg) * v)

(1.638 x 10-8 m)((9.11 x 10-31 kg) * v)) =(6.626 x 10-34 J·s)

(1.492218 x 10-38)(v) =(6.626 x 10-34 J·s)

(v) =(6.626 x 10-34 J・s) / (1.492218 x 10-38 )

v =44403.6997275

最終的に、速度は科学表記法に変換すると 4.44 104 m/s となり、これを接続して波長が一致するかどうかを確認できます。