Problemas ópticos

En pocas palabras, cuando la luz se mueve, se puede considerar que está compuesta de fotones (partículas), que son similares a partículas, y su movimiento se propaga en forma de ondas. , está fluctuando.

Einstein fue el primero en afirmar que la luz tiene propiedades tanto ondulatorias como partícula. Creía que la radiación electromagnética no solo aparece en forma de partículas de energía hv cuando se emite y absorbe, sino que también aparece en forma de partículas cuando se mueve en el espacio. La brillante idea de Einstein se fue formando gradualmente mientras estudiaba la producción y transformación de la radiación. Al mismo tiempo, los físicos experimentales, de forma relativamente independiente, plantearon el mismo punto. Entre ellos se encuentran W.H. Bragg y A.H. Compton (Arthur Holy Compton, 1892-1962). Compton demostró que los fotones y los electrones no sólo tienen una conversión de energía, sino que también tienen un cierto intercambio de impulso durante su interacción.

En 1923, de Broglie amplió la dualidad onda-partícula de Einstein a las partículas microscópicas y propuso la hipótesis de la onda materia, demostrando que las partículas microscópicas también fluctúan. Su opinión fue rápidamente confirmada por experimentos como la difracción de electrones.

La dualidad onda-partícula es otro avance en la comprensión humana del mundo material, sentando las bases para el desarrollo de la mecánica ondulatoria.

9.1 Teoría de la radiación de Einstein

Ya en 1905, Einstein dio a entender en su hipótesis cuántica de la luz que las fluctuaciones y las partículas son dos formas de pensamiento. Analizó el debate a largo plazo entre la teoría ondulatoria y la teoría de partículas desde Newton y Huygens, señaló las limitaciones de la teoría de las ondas electromagnéticas de Maxwell, revisó los pensamientos de Planck sobre la radiación del cuerpo negro y resumió varios aspectos relacionados con la interacción entre el fenómeno de la luz y la materia. Creía que la energía de la luz no se dispersaba durante la propagación y la interacción con la materia, sino que aparecía uno tras otro en forma de fotones de energía.

En junio de 1909, 65438+10 meses, Einstein volvió a escribir un artículo discutiendo el problema de la radiación. En septiembre pronunció una conferencia titulada "Sobre el desarrollo de nuestras opiniones sobre la naturaleza y composición de la radiación" en la 81ª Conferencia de Físicos y Médicos Alemanes en Salzburgo. Utilizó el concepto de fluctuaciones de energía para estudiar el movimiento de un espejo perfectamente reflectante suspendido en una cavidad llena de radiación térmica a una temperatura t. Si un espejo se mueve a una velocidad distinta de cero, entonces se reflejará más radiación de una frecuencia dada V desde su superficie frontal que desde su superficie trasera. Por lo tanto, el movimiento del espejo se verá amortiguado a menos que gane nuevo impulso debido a las fluctuaciones de la radiación. Einstein utilizó la fórmula de distribución de energía de Planck para deducir que la fluctuación cuadrática media de energía de la radiación del cuerpo negro en el volumen V con frecuencias entre v→v+dv es

Luego, Einstein calculó los valores anteriores respectivamente. Se explican dos elementos. El primer término es la fluctuación de cuantos de energía, basado en hν. Este último término tiene la forma de fluctuaciones del campo electromagnético obtenidas de la teoría de Maxwell. El primero representa las propiedades de las partículas y el segundo representa la volatilidad. Einstein declaró: "Estas consideraciones... muestran que las fluctuaciones en la distribución espacial de la radiación y las fluctuaciones en la presión de la radiación también se comportan como si la radiación estuviera formada por cuantos de los tamaños mencionados anteriormente. Enfatizó: "La teoría moderna de la radiación (refiriéndose a la de Maxwell). La teoría ondulatoria de la luz no es consistente con este resultado: "Si (el primer término) existe solo, conduce a las fluctuaciones (esperadas) que ocurren cuando la radiación se compone de cuantos puntuales de energía hν. Einstein utilizó el término "cuanto puntual" para ilustrar que había considerado el cuanto de luz como una partícula. Aunque Einstein aún no había formado una teoría completa de la radiación, se había dado cuenta claramente de que la radiación, siguiendo la fórmula de distribución de energía de Planck, tenía las características tanto de partículas como de fluctuaciones.

En los dos artículos anteriores, Einstein expresó los siguientes puntos de vista sobre el estado de la teoría de la radiación:

"Durante mucho tiempo he tenido la intención de demostrar que las bases existentes de la teoría de la radiación deben abandonarse". ; "Creo que la siguiente etapa en el desarrollo de la física teórica nos traerá una teoría de la luz, que puede explicarse como una fusión de la teoría ondulatoria y la teoría de la emisión;" "No tomes a la ligera la estructura ondulatoria y la estructura cuántica... No son mutuamente excluyentes”

Einstein prevé aquí que habrá una nueva teoría que integre las propiedades de las ondas y las partículas, aunque más de diez años después, cuando la nueva teoría surgió realmente, no pudo aceptarla. . Respecto a esta cuestión, se remite al lector al siguiente capítulo.

En 1916, Einstein volvió a abordar el problema de la radiación y publicó el artículo "Teoría cuántica de la radiación". Este artículo resume los logros de la teoría cuántica, señala los principales defectos de la antigua teoría cuántica y utiliza métodos estadísticos para volver a demostrar las propiedades cuánticas de la radiación.

El punto básico que consideró fue que la distribución estable de los estados energéticos discretos de las moléculas se mantiene mediante el intercambio constante de energía entre las moléculas y la radiación. Planteó la hipótesis de que existen dos formas básicas de proceso de intercambio de energía, a saber, el proceso de transición molecular, una se llama emisión espontánea y la otra se llama emisión estimulada. A partir de las probabilidades de estas dos vías, derivó la ley de frecuencia de Bohr y la fórmula de distribución de energía de Planck. De esta manera unificó todos los resultados de la etapa anterior de la teoría cuántica en un todo lógicamente completo. En particular, la teoría de la emisión estimulada de Einstein sentó las bases teóricas para el desarrollo del láser 50 años después.

En este artículo, Einstein creía que durante la interacción entre las moléculas y la radiación, no sólo hay transferencia de energía, sino también transferencia de momento. Supuso que en la dirección de propagación del haz de radiación se obtenía el momento hv/c, que tiene una dirección clara. Escribe (2): "Parece que sólo cuando consideramos esos procesos originales como procesos totalmente dirigidos podemos obtener una teoría consistente". "Debido a que la energía y el impulso siempre están más estrechamente relacionados", "ese pequeño efecto (refiriéndose al intercambio de impulso) debe considerarse como una transferencia obvia de energía causada por la radiación".

En 1921, Debye dijo En la conferencia se discutió la teoría de la radiación cuántica de Einstein. Como ejemplo, calculó la colisión de fotones y electrones y demostró que la longitud de onda de la luz se hacía más larga después de la colisión. En aquel momento propuso a su colega P. Scherrer realizar un experimento con rayos X para comprobar si la longitud de onda realmente cambiaba. Desafortunadamente, Schuler no llevó a cabo el experimento a tiempo, por lo que Debye pospuso temporalmente su investigación. Durante este período, Compton había estado tratando de encontrar una explicación teórica para los resultados experimentales de que la longitud de onda de los rayos X se hacía más larga después de la dispersión. Antes de presentar el trabajo de Compton, también debemos mencionar otro evento relacionado con la dualidad onda-partícula, que es el debate entre W.H. Prague y C.G. Barkla sobre la naturaleza de los rayos X.

9.2 Debate sobre la naturaleza de los rayos X

En 1912, el experimento de difracción de cristales de Laue en Alemania descubrió la fluctuación de los rayos X. Antes de esto, la gente tenía diferentes puntos de vista sobre la naturaleza de los rayos X. Roentgen tendía a pensar que los rayos X podrían ser algún tipo de onda longitudinal en el éter, y Stokes pensaba que los rayos X podrían ser pulsos transversales del éter. Como los rayos X pueden ionizar moléculas de gas, J.J. Thomson también los consideró una onda de pulso.

¿Los rayos X son ondas o partículas? ¿Es una onda longitudinal o una onda transversal? El criterio más poderoso es la presencia de fenómenos como la interferencia y la difracción. En 1899, Haga y Wind colocaron una rendija triangular bien hecha delante de un tubo de rayos X y observaron si los rayos X formaban franjas de difracción en el borde de la rendija. Por un lado, no pueden conocer de antemano las condiciones de difracción y, por otro, es conveniente medir el ensanchamiento de la imagen cerca del vértice. A juzgar por la fotografía de rayos X, si los rayos X son una onda, su longitud de onda sólo puede ser inferior a 10-9 cm. Este experimento fue posteriormente mejorado por Walter y Pohl, y las fotografías resultantes parecían tener imágenes de difracción débil. No fue hasta 1912 que alguien utilizó un fotómetro para medir la distribución de luminosidad de esta fotografía y vio el fenómeno de difracción real. Basándose en esto, Sommerfeld calculó que la longitud de onda efectiva de los rayos X es de aproximadamente 4×10-9 cm.

Otro efecto de los rayos X es bastante evidente. Cuando choca contra la materia, produce radiación secundaria. Este efecto fue descubierto por Sagnac en 1897. Segnak observó que esta radiación secundaria se refleja de forma difusa y se absorbe más fácilmente que los rayos X incidentes. Este descubrimiento allana el camino para futuras investigaciones sobre las propiedades de los rayos X. En 1906 Bachla determinó que los rayos X estaban polarizados. El principio experimental de Bakla se muestra en la Figura 9-1. Los rayos X emitidos por el tubo de rayos X inciden en el dispersor A en un ángulo de 45°, y la radiación secundaria emitida por A incide en el dispersor B en un ángulo de 45°. Cuando se observa la radiación terciaria desde todas las direcciones perpendiculares a la radiación secundaria, se descubre que la intensidad varía mucho. La intensidad es más débil a lo largo de la dirección perpendicular a la luz incidente y la radiación secundaria. De esto Bachla concluyó que los rayos X están polarizados.

■Figura 9-1 Principio del experimento de radiación secundaria de rayos X de Bakla

Sin embargo, la polarización no es suficiente para determinar si los rayos X son ondas o partículas. Dado que las partículas también pueden explicar este fenómeno, basta con asumir que dichas partículas tienen rotación. Efectivamente, en 1907-8 surgió un debate entre Bachla y Bragg sobre si los rayos X eran ondas o partículas.

Partiendo del hecho de que los rayos gamma pueden ionizar átomos, no se desvían en los campos eléctricos y magnéticos y tienen un gran poder de penetración, Bragg afirmó que los rayos gamma están compuestos de pares neutros: electrones y cargas positivas. Posteriormente trató los rayos X de la misma manera y explicó varios fenómenos radiológicos conocidos. Bakra insistió en las fluctuaciones de los rayos X. Los dos sostuvieron sus propias opiniones y las debatieron en revistas científicas. Ambas partes tenían algunos hechos experimentales que las respaldaban. Aunque el debate no llegó a una conclusión clara, causó una profunda impresión en la comunidad científica.

En 1912, Laue descubrió la difracción de rayos X, que proporcionó la evidencia más poderosa para la teoría ondulatoria. Bragg ya no se adhiere a su hipótesis de pareja neutral. Pero siempre tuvo la sensación intuitiva de que, como él mismo decía, el problema no era "qué teoría era la correcta, sino encontrar una teoría que pudiera acomodar estos dos aspectos". Las ideas de Bragg tuvieron un impacto importante en el alemán Broglie posterior. alguna influencia.

9.3 Efecto Compton

En mayo de 1923, en "Physical Review", A.H. Compton publicó su artículo sobre la teoría cuántica de la dispersión de rayos X de elementos ligeros. El efecto fue descubierto y explicado. utilizando la hipótesis cuántica de la luz. Escribió②:

"Desde la perspectiva de la teoría cuántica, se puede suponer que cualquier cuanto de rayos X especial no se dispersa en todos los electrones del radiador, sino en un electrón especial que ha gastado toda su energía. , este electrón en particular dispersa el rayo en una dirección particular, que forma un ángulo con el haz incidente. La curvatura de la trayectoria cuántica de la radiación provoca un cambio en el impulso. Como resultado, el electrón dispersado retrocede con un impulso igual al de. el rayo. Cambio en el momento de los rayos X. La energía del rayo dispersado es igual a la energía del rayo incidente menos la energía cinética del electrón dispersado. Dado que la luz dispersada debe ser un cuanto completo, su frecuencia también disminuirá proporcionalmente. con la energía Según la teoría cuántica, podemos esperar que la longitud de onda de la radiación dispersada sea mayor que la longitud de onda de la radiación incidente, y que "la intensidad de la radiación dispersada sea mayor en la dirección de avance de los rayos X originales que en la dirección de avance". dirección inversa, medida experimentalmente." "

Compton utilizó la Figura 9-2 para explicar la distribución de la dirección e intensidad de los rayos. Según la conservación de la energía y el momento y considerando el efecto relativista, la longitud de onda de dispersión es:

δλ es la longitud de onda incidente La diferencia entre λ0 y la longitud de onda de dispersión λ θ, h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz, m es la masa en reposo del electrón y θ es el ángulo de dispersión.

■Figura 9-2 Diagrama de la teoría de Compton<. /p>

Este simple razonamiento ha sido durante mucho tiempo de sentido común para los físicos modernos, pero Compton tardó más de diez o veinte años en estudiar este fenómeno antes de obtenerlo. 1923. El resultado correcto es que el propio Compton se desvió durante cinco años. Esta historia muestra la historia desigual del surgimiento y desarrollo de la física moderna desde un lado.

Se puede ver en la fórmula (9-. 1), el cambio en la longitud de onda depende de θ y no tiene nada que ver con λ0, es decir, para un cierto ángulo, el valor absoluto del cambio de longitud de onda es seguro. Cuanto menor es la longitud de onda de la luz incidente, mayor es la relativa. Por lo tanto, el efecto Compton tiene un cierto efecto sobre γ. Este es el caso en la historia, ya en 1904, el físico británico A.S Eve descubrió por primera vez signos del efecto Compton al estudiar las propiedades de absorción y dispersión. rayos gamma. Como se muestra en la Figura 9-3. La radiación y los absorbentes en la figura son en realidad materiales como placas de hierro y placas de aluminio. El tubo de radio emite rayos gamma, que son dispersados ​​por el dispersor y luego arrojados al electrómetro. Se insertó un absorbente en el camino para probar su poder de penetración. Descubrí que la luz dispersada era generalmente "más suave" que la luz incidente.

La dispersión de los rayos gamma fue estudiada más tarde por muchas personas en 1910. D.C.H. Florance del Reino Unido obtuvo una conclusión clara, demostrando que los rayos secundarios dispersos dependen del ángulo de dispersión y no tienen nada que ver con el material del dispersor. Cuanto mayor es el ángulo de dispersión, mayor es el llamado coeficiente de absorción. El ablandamiento de la luz es en realidad el cambio en la longitud de onda de la luz. En ese momento, la naturaleza de los rayos gamma no se había determinado y sólo podía expresarse basándose en fenómenos experimentales. Equipo de Ive (1904)

En 1913, J.A. Gray de la Universidad McGill rehizo el experimento de rayos gamma, confirmó la conclusión de Rowlands y midió con mayor precisión la intensidad de la radiación. Descubrió: "Las propiedades de los rayos gamma monocromáticos cambian. después de que estén esparcidos. Cuanto mayor sea el ángulo de dispersión, más suave será la luz dispersada. ”

Los hechos experimentales están claramente ante los físicos, pero no pueden encontrar una explicación correcta.

Compton también estuvo sujeto a dispersión gamma en 1919. Midió la longitud de onda de los rayos gamma con métodos precisos y determinó que la longitud de onda se alarga después de la dispersión. Más tarde pasó de la dispersión de rayos gamma a la dispersión de rayos X. La figura 9-4 es el espectrómetro de rayos X casero de Compton. Después de que el cristal de grafito dispersa los rayos Kα de molibdeno, se utiliza una cavidad libre para medir la intensidad de la dispersión en diferentes direcciones. La figura 9-5 muestra algunas de las curvas publicadas por Compton. En la figura se puede ver que la curva de dispersión de rayos X obviamente tiene dos picos, uno es igual a la longitud de onda del rayo original (línea constante) y el otro es más largo (línea variable). La desviación de la línea variable de la línea constante cambia con el cambio del ángulo de dispersión. Cuanto mayor es el ángulo de dispersión, mayor es la desviación.

■Figura 9-4 Espectrómetro de rayos X Compton

Desafortunadamente, Compton, como otros, tomó muchos desvíos para explicar este fenómeno.

Primero utilizó la teoría de la dispersión de electrones de J.J. Thomson para explicar la dispersión de los rayos gamma y los rayos X, y más tarde propuso la teoría de la radiación de fluorescencia y el modelo de los electrones grandes. Supuso que los electrones tienen un cierto tamaño y forma, y ​​creía que mientras "el radio del área de distribución de carga del electrón sea equivalente a la longitud de onda de los rayos gamma", la dispersión de la radiación de alta frecuencia puede explicarse sobre la base de Electrodinámica clásica. Para explicar por qué la frecuencia de la radiación fluorescente disminuyó, intentó calcularla mediante el efecto Doppler. En sus cálculos, trató el efecto de los rayos X sobre los electrones al dispersar la materia como un proceso cuántico. Inícielo

Esta condición, en una colisión, no sólo debe observarse la conservación de la energía, sino también la conservación del impulso, lo que dio lugar al histórico documento publicado en "Physical Reviews" en mayo de 1923.

■Parte de la curva de la Figura 9-5 publicada por Compton

Posteriormente, Debye también publicó un artículo que había sido preparado. Su artículo generó una fuerte respuesta. Sin embargo, este descubrimiento no fue inmediatamente reconocido universalmente por la comunidad científica, y rápidamente se produjo un acalorado debate entre Compton y sus colegas. Esto ocurrió después de 1922, cuando un comité de la División de Ciencias Físicas del American Research Council tuvo que discutir un informe de Compton sobre la dispersión de rayos X antes de que pudiera presentarse para su publicación. Es miembro de este comité. Sin embargo, W. Duane, presidente de este comité, se opuso firmemente a la inclusión del trabajo de Compton, creyendo que los resultados experimentales no eran fiables. Porque el laboratorio de Duane estaba haciendo el mismo experimento, pero no pudo obtener los mismos resultados.

El estudiante de Compton, Wu, fue a los Estados Unidos desde China para estudiar e hizo grandes contribuciones a la investigación y verificación adicionales del efecto Compton. Además de realizar muchos experimentos convincentes sobre la negación de Duane, también confirmó la universalidad del efecto Compton. Probó las curvas de dispersión de rayos X de varios elementos y los resultados fueron consistentes con la fórmula de dispersión cuántica de Compton (9-1). La figura 9-6 muestra a Compton y Wu.

En Xun de 1924 se publicó una curva. El título del artículo era: Longitud de onda de la línea Kα de molibdeno dispersada por elementos ligeros. Escribieron: "Lo importante de esta figura es que los espectros obtenidos de los diversos materiales son casi idénticos en naturaleza. En cada caso, la línea invariante P aparece junto con la línea fluorescente M0Kα (espectro Kα de la línea de molibdeno) en el mismo lugar, mientras que el pico de la línea cambiante aparece en la posición M predicha por la fórmula cuántica anterior para el cambio de longitud de onda, dentro del rango de error experimental permitido”

■Parte de la Figura 9-5 publicada por Compton. . Curva

■Figura 9-6 La curva publicada por Compton y Wu en 1924.

La contribución más destacada de Wu al efecto Compton es medir la curva de la relación de intensidad R de la línea variable y la línea constante en la dispersión de rayos X en función del número atómico del dispersor, lo que confirma y desarrollar la teoría de la dispersión cuántica de Compton.

Einstein jugó un papel especialmente importante a la hora de afirmar el efecto Compton. Como se mencionó anteriormente, Einstein desarrolló aún más la teoría cuántica de la luz en 1916. Según su sugerencia, Burt y Geiger también intentaron utilizar experimentos para comprobar quién tenía razón entre la teoría clásica y la teoría cuántica de la luz, pero todos fracasaron. Cuando Einstein se enteró de los resultados del experimento de Compton en 1923, promovió y elogió con entusiasmo el experimento de Compton muchas veces en conferencias y periódicos y habló de su importancia.

Einstein también recordó a los físicos: No se limiten a ver la naturaleza partícula de la luz. En sus experimentos, Compton se basó en las fluctuaciones de los rayos X para medir sus longitudes de onda. Publicó un breve artículo titulado "Experimento Compton" en el suplemento del Berliner Zeitung del 20 de abril de 1924, con una frase: "...la cuestión más importante es considerar hasta dónde debemos llegar para conseguir el proyectil. Las propiedades de el cuerpo se dan a las partículas o fotones de luz.

”

Gracias a los esfuerzos de Einstein y otros, la dualidad onda-partícula de la luz rápidamente obtuvo un amplio reconocimiento.

9.4 Hipótesis de De Broglie

Como preludio Para la mecánica cuántica, la teoría de las ondas de la materia de Louis Broglie es de especial importancia.

De Broglie fue un físico francés que estudió historia y se interesó por la ciencia. Durante la Primera Guerra Mundial, sirvió en el ejército y trabajó. En la radio normalmente me gustaba leer trabajos científicos, especialmente los trabajos de Poincaré, Lorenz y Langevin. Más tarde leí a Planck, Einstein y Bohr. Me interesé por sus trabajos, pero después de dejar el ejército, me dediqué a la física. Estudió rayos X con su hermano Maurice de Broglie, que era un experto en rayos X, a menudo discutían cuestiones teóricas relacionadas. Morris fue secretario en la primera Conferencia de Solvay en 1911 y fue responsable de la organización de los documentos. Esta conferencia trataba sobre la radiación y la teoría cuántica, lo que inspiró mucho a Louis. Morris mantuvo estrecho contacto con otro experto en rayos X, W. Bragg, que una vez defendió la naturaleza partícula de los rayos X. Esta visión tuvo una gran influencia en Morris. por lo que a menudo discutió la relación entre ondas y partículas. Estas condiciones llevaron a De Broglie a reflexionar profundamente sobre la dualidad onda-partícula.

El físico francés Brillouin publicó una serie de artículos entre 1919 y 1922, proponiendo una solución. eso podría explicar la ecuación de Bohr. La teoría del modelo atómico orbital estatal. Imaginó que el "éter" alrededor del núcleo atómico excitaría una onda debido al movimiento de los electrones, y estas ondas interferirían entre sí solo cuando los orbitales. El radio de los electrones es adecuado. Se puede formar una onda estacionaria alrededor del núcleo atómico, por lo que la órbita se cuantifica. Esta idea fue absorbida por De Broglie. Eliminó el concepto de éter y le dio la fluctuación del éter directamente al electrón.

Desde septiembre de 1923 hasta octubre de 1920, De Broglie publicó tres artículos sobre ondas y cuántica en el "Boletín de la Academia Francesa de Ciencias". El primer tema fue "Ondas de Radiación y Cuántica", proponiendo que las partículas físicas también tienen dualidad partícula, la partícula en movimiento corresponde a una onda sinusoidal, y las dos permanecen siempre en la misma fase. Posteriormente, consideró el efecto relativista del movimiento. partícula con una masa en reposo de m0. La energía intrínseca correspondiente m0c2 se considera un fenómeno periódico simple con frecuencia ν0. Aplicó el concepto de ondas de fase a electrones que se mueven alrededor del núcleo en una órbita cerrada y derivó las condiciones de cuantificación de Bohr en el tercer artículo. titulado "En el artículo "Teoría del movimiento cuántico del gas y principio de Fermat", propuso además que "Sólo cuando se satisface la resonancia de onda de fase se obtiene una órbita estable. "En su tesis doctoral del segundo año, escribió más claramente: "La condición de resonancia es l=nλ, es decir, la circunferencia de la órbita del electrón es un múltiplo entero de la longitud de onda de la fase. "

En el segundo artículo titulado "Óptica - Cuántica de luz, difracción e interferencia", de Broglie planteó la siguiente hipótesis: "En determinadas circunstancias, cualquier partícula en movimiento puede ser objeto de difracción. Un grupo de electrones que pasa a través de una abertura relativamente pequeña sufrirá difracción. Es aquí donde es posible encontrar una verificación experimental de nuestra opinión. ”

Hay dos puntos que es necesario explicar aquí: Primero, de Broglie no propuso claramente el concepto de ondas materiales, sino que solo utilizó el concepto de ondas de fase u ondas de fase, pensando que eran una Onda imaginaria no material. Pero, ¿qué tipo de onda es? Al final de su tesis doctoral, afirmó específicamente: "Deliberadamente hice que las ondas de fase y los fenómenos periódicos no quedaran claros, al igual que la definición de cuantos de luz, se puede decir. es solo una explicación, por lo que al final es mejor considerar esta teoría como una expresión de contenido físico poco claro en lugar de una teoría final. "Las ondas de materia fueron propuestas por Schrödinger después de establecer la ecuación de Schrödinger y explicar el significado físico de la función de onda. En segundo lugar, de Broglie no propuso claramente la relación entre la longitud de onda λ y el momento P: λ=h/P (h es la constante de Planck ), pero luego se descubrió que esta relación estaba implícita en su tesis, por lo que se llamó fórmula de de Broglie.

La tesis doctoral de De Broglie fue muy elogiada por el comité de defensa. Le pareció muy original, pero. la gente siempre pensó que su idea era demasiado misteriosa y no la tomaron en serio. Por ejemplo, en la reunión de la defensa, alguien preguntó qué se podría utilizar para verificar este nuevo concepto: "Mediante la difracción de electrones en cristales". , debería ser posible observar el efecto de esta hipotética fluctuación. "En el laboratorio de su hermano, un físico experimental, Willier, intentó realizar este experimento con un tubo de rayos catódicos. Desistió sin éxito.

Análisis posteriores demostraron que la velocidad de los electrones puede no ser lo suficientemente alta y que el cristal de mica utilizado como objetivo absorbió las cargas libres en el aire. Si el experimentador lo hace en serio, definitivamente obtendrá un resultado.

Después de la publicación del artículo de De Broglie, no hubo mucha reacción en ese momento. Fue el apoyo de Einstein lo que atrajo la atención posterior. Una vez, Langevin le dio a Einstein una copia del artículo de De Broglie, y Einstein se alegró mucho cuando lo vio. No esperaba que su idea de la dualidad onda-partícula de la luz se desarrollara en manos de De Broglie hasta adquirir un contenido tan rico y extenderse a las partículas en movimiento. En ese momento, Einstein estaba escribiendo un artículo sobre estadística cuántica, por lo que añadió un párrafo que presentaba el trabajo de De Broglie. Escribió: "Cómo las partículas de materia o los sistemas de partículas de materia se corresponden con los campos ondulatorios, lo ha señalado el señor de Broglie en un artículo muy notable".

De esta manera, su trabajo atrajo inmediatamente la atención de todos. .

9.5 Verificación experimental de la teoría ondulatoria de la materia

Como se mencionó en la sección anterior, de Broglie imaginó una vez que sería posible observar las fluctuaciones de los haces de electrones en experimentos de difracción de cristales. Ojalá esta visión se haga realidad. Lo que resulta intrigante es que en este momento hay dos resultados experimentales desconcertantes que esperan una explicación teórica correcta. Estos dos experimentos fueron el experimento de colisión electrón-átomo de C.W. Ramsauer y el experimento de dispersión de electrones de C.J. Davidson.

En 1913, el físico alemán Jean Sauer desarrolló un método experimental para estudiar el movimiento de los electrones, llamado método del anillo de Jean Sauer. De este modo se pueden determinar con gran precisión la velocidad y la energía de los electrones lentos. El concepto de sección transversal efectiva para colisiones entre partículas fue propuesto por primera vez por Ran Sauer. Después de la Primera Guerra Mundial, Jean Sauer continuó utilizando su método del anillo para realizar investigaciones experimentales sobre la colisión de electrones lentos con átomos en varios gases. En 1920, informó en un artículo titulado "Secciones transversales de moléculas de gas con electrones lentos" que había descubierto que el argón tenía un comportamiento especial.

El dispositivo experimental se muestra en la Figura 9-7.

Ransauer llenó la cámara con diferentes gases, como hidrógeno, helio, nitrógeno y argón. Después de muchas mediciones, descubrió que la sección transversal de los gases en general "tiende a ser constante a medida que disminuye la velocidad de los electrones, pero la sección transversal del argón se vuelve particularmente pequeña". A partir de este comportamiento anormal del argón, Ran Sauer concluyó: "En". este fenómeno, se observa que los electrones más lentos pueden penetrar libremente en los átomos de argón".

La figura 9-8 muestra la sección transversal de dispersión de electrones por los gases inertes Xe, Kr y Ar. La curva de Ran Sauer realizó el cambio de velocidad de los electrones basándose en los resultados experimentales de muchas personas. La abscisa en la figura es el valor de la raíz cuadrada del voltaje de aceleración proporcional a la velocidad del electrón, y la ordenada es la sección transversal de dispersión q, en unidades atómicas, donde α0 es el radio atómico de Bohr. Las formas de las curvas de los tres gases nobles son aproximadamente iguales. Cuando la energía del electrón es de aproximadamente 10 eV, Q alcanza un valor máximo y luego comienza a disminuir. Cuando la energía del electrón disminuye gradualmente hasta aproximadamente 65.438+0 ev, el valor mínimo de Q aparece nuevamente. La energía vuelve a disminuir y el valor q aumenta nuevamente. Está demostrado de manera concluyente que las colisiones elásticas entre átomos y electrones de baja energía no pueden explicarse mediante la teoría clásica.

■Figura 9-7 Tour de Ranshoer

■9-8 Resultados experimentales de Ranshoer

Este es el desconcertante efecto Ranshoer en aquel entonces.

El experimento de dispersión de electrones de Davidson produjo resultados extraños antes que el experimento de colisión de electrones de Ransauer. Davidson fue investigador en el Departamento de Ingeniería de Western Electric Company (más tarde Bell Telephone Laboratories), donde se dedicó a la investigación sobre emisión termoiónica y emisión secundaria de electrones. En 1921, cuando él y su asistente Kunsman bombardearon un objetivo de níquel con un haz de electrones, descubrieron que los electrones secundarios reflejados por el objetivo de níquel tenían una distribución angular extraña. La curva de distribución se muestra en la Figura 9-9, con dos valores máximos. . Davidson no dejó pasar desapercibido este fenómeno, lo intentó una y otra vez y escribió un artículo en la revista Science en 1921. Su idea en ese momento era que la aparición de un máximo podría ser indicativo de una capa de electrones y que la investigación podría conducir a otra forma de sondear la estructura de los átomos.

■Figura 9-9 La curva de dispersión de electrones publicada por Davidson (1921)

Este incidente atrajo la atención del famoso físico alemán M. Born, quien le preguntó a un hombre llamado F. El estudiante de posgrado de Hund (más tarde un famoso espectroscopista) recalculó el mínimo y el máximo de la curva de dispersión de electrones basándose en la hipótesis de la capa de electrones de Davidson.

En una clase de discusión, Hongde dio un informe que despertó el interés de otro estudiante de posgrado, W. Elsasser. Los pensamientos de Elsasser eran particularmente activos y estaba muy preocupado por los nuevos desarrollos en diversos campos de la física. Cuando supo que Einstein y Bose habían publicado recientemente la teoría estadística cuántica, quiso encontrar el artículo de Einstein para leerlo. Einstein mencionó específicamente la hipótesis de la onda de materia de De Broglie en su artículo, lo que inspiró enormemente a Elsasser. Pronto Elsasser leyó los artículos de De Broglie en Bonn. Sus pensamientos de repente dieron un salto. ¿Podrían los máximos de Davidson y Kongsmann ser causados ​​por fluctuaciones electrónicas?

Inmediatamente utilizó una regla de cálculo para estimar la energía del electrón necesaria para el valor máximo basándose en la fórmula de De Broglie y descubrió que el orden de magnitud era correcto. Unas semanas más tarde, escribió un comunicado a la revista alemana Natural Science, titulado "Interpretación mecánica cuántica de electrones libres". En este artículo, mencionó específicamente que la hipótesis de la volatilidad no sólo podría explicar los experimentos de Davidson y Kongsmann, sino también el efecto Landshore. Al final del artículo, afirmó que para obtener una verificación cuantitativa, era necesario preparar más experimentos. Pasó tres meses considerando el plan experimental y finalmente se rindió por falta de solidez técnica.

Desde 1921, Davidson ha estado estudiando el comportamiento inusual de los electrones que bombardean objetivos de níquel. Seguía siguiendo la dirección de la capa de electrones y no prestó atención al artículo de Elsasser. Del 65438 al 0925, un accidente hizo que su obra avanzara espectacularmente. Un día, su asistente Germer se disponía a calentar y desgasificar el tubo de ensayo experimental. La botella trampa de carbón del sistema de vacío estalló repentinamente, el aire entró en el sistema de vacío y el objetivo de níquel se oxidó severamente. Ha habido accidentes similares antes y las tuberías a menudo fueron desguazadas. Esta vez, Davidson decidió arreglarlo y desgasificar el cátodo calentándolo al vacío e hidrógeno. Después de dos meses de lanzamientos, se reanudó el experimento formal. En el medio ocurrió un milagro. A principios de mayo de 1925, los resultados eran casi los mismos que en 1921, pero la curva cambió especialmente a mediados de mayo, apareciendo varios picos, como se muestra en la Figura 9-10. Inmediatamente tomaron medidas para abrir la tubería y ver qué pasaba dentro. Con la ayuda de uno de los microscopistas de la empresa, se descubrió que el objetivo de níquel había cambiado durante el proceso de reparación. Las facetas de níquel que originalmente fueron pulidas hasta la aurora ahora parecen formar una fila de unas diez caras de cristal distintas. Llegaron a la conclusión de que la causa de las anomalías en las curvas de dispersión era la reordenación de los átomos en formaciones cristalinas.

■Figura 9-10 Comparación antes y después del accidente (1925)

Esta conclusión llevó a Davidson y Germer a modificar su plan experimental. Debido a la disposición caótica de las pequeñas caras de los cristales, no se pudo realizar una investigación sistemática, por lo que hicieron un gran cristal único de níquel y lo cortaron en una dirección específica para los experimentos. No estaban familiarizados con el trabajo de antemano, por lo que dedicaron casi un año a preparar nuevos tubos y objetivos de níquel. Curiosamente, hicieron muchos experimentos de difracción de rayos X y tomaron muchas fotografías de difracción de rayos X para familiarizarse con la estructura cristalina, pero no conectaron la difracción de rayos X con la difracción de electrones en la que estaban involucrados. Diseñaron un dispositivo experimental muy inteligente. El objetivo de níquel puede girar 360° a lo largo del eje del haz incidente, y el colector después de la dispersión de electrones también puede adoptar diferentes ángulos. Aparentemente, su objetivo ha pasado de explorar estructuras atómicas a explorar estructuras cristalinas. En 1926 continuamos haciendo experimentos de dispersión de electrones, pero los resultados no fueron ideales y no pudimos obtener la curva después del accidente.

En ese momento, la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia se encontraba reunida en Oxford. Davidson asistió a la reunión. En una reunión el 10 de agosto de 1926, escuchó al famoso físico alemán Born decir que "los experimentos de Chevison y Kongsmann... los reflejos de las superficies metálicas" eran electrones predichos por la "evidencia" de difracción de la teoría ondulatoria de De Broglie. Davidson no tenía idea de que su experimento de hace tres años sería tan importante.

Después de la reunión, Davidson fue a ver a Born y a otros físicos famosos, les mostró la curva de dispersión del monocristal recién obtenida y mantuvo una animada discusión con ellos. Born sugirió que Davidson examinara más de cerca el artículo de Schrödinger sobre la mecánica ondulatoria. Esta discusión tuvo un impacto decisivo en el trabajo de Davidson. Después de regresar a Nueva York, reelaboró ​​sus planes de investigación. Con objetivos de exploración claros, el trabajo avanzó con bastante rapidez. En ese momento, Davidson había aceptado conscientemente la guía de la teoría ondulatoria y había utilizado eficazmente su experiencia técnica. La realidad de Davidson y Gemma