de Broglie -aallonpituus

Ranskalainen Louis de Broglie (1892–1987) esitti vuonna 1923 hypoteesin hiukkasen aaltoluonteesta ennen kokeellisia havaintoja. Hypoteesi syntyi, kun valon kaksoisluonne oli havaittu valosähköisen ilmiön ja Comptonin sironnan perusteella. Tiedettiin, että fotonilla on liikemäärä, joka riippuu valon aallonpituudesta: [[$p=\dfrac{h}{\lambda}$]]. de Broglie esitti, että sama kaava toisinpäin käytettynä ilmaisisi hiukkasen aallonpituuden: [[$\lambda=\dfrac{h}{p}=\dfrac{h}{mv}$]]. Ensimmäinen vahvistus de Broglien hypoteesille saatiin tarkastelemalla elektronien siroamista nikkelihilasta vuonna 1927. Sittemmin hypoteesi on vahvistettu useissa eri tilanteissa.

Hiukkasen de Broglien aallonpituus

[[$ \lambda=\dfrac{h}{mv}$]] on nopeudella [[$v$]] liikkuvan [[$m$]]-massaisen hiukkasen aallonpituus. [[$h$]] on Planckin vakio. Jotta aallonpituuden saa metreinä, Planckin vakiota on käytettävä yksiköissä Js.

Aaltomaisuus on yleensä sitä helpompi havaita, mitä suurempi aallonpituus on. Jotta aallon havaitaan leviävän merkittävästi kulkiessaan rakojen läpi, on aallonpituuden ja raon leveyden oltava samaa suuruusluokkaa. Äänelle riittää oven kokoinen rako, mutta valolle rako saa olla enintään mikrometrien suuruusluokkaa.

Lasketaan de Broglien aaltojen suuruusluokan hahmottamiseksi 100 V jännitteellä kiihdytetyn elektronin aallonpituus. Tällä jännitteellä kiihdytetyn elektronin nopeus on suuruusluokkaa 107 m/s, jolloin aallonpituudeksi saadaan

[[$ \begin{align*}\quad \lambda &=\dfrac{h}{mv} \\ \\ \lambda &=\dfrac{6{,}626\cdot 10^{-34}\text{ m}^2\text{kg/s}}{9{,}109\cdot 10^{-31}\text{ kg}\cdot 10^7\text{ m/s}} \\ \\ \lambda &=7{,}27\dotso\cdot 10^{-11}\text{ m}\approx 0{,}07\text{ nm}\end{align*}$]]

Liikkuvan elektronin aaltomaisuuden havaitsemiseen aallon taipumisen kautta tarvitaan erittäin ohut rako, ohuempi kuin valolle. de Broglien aallonpituuden kaavasta havaitaan, että hiukkasen aallonpituus on sitä suurempi, mitä kevyempi se on ja mitä hitaammin se liikkuu. Elektronista kevyempiä alkeishiukkasia ei oikeastaan ole tarjolla, joten ainoaksi vaihtoehdoksi aallonpituuden kasvattamiseen jää hiukkasten hidastaminen. Aaltomaisuuden havaitseminen muilla kuin hitaasti liikkuvilla alkeishiukkasilla on suuri kokeellinen haaste, ja makroskooppisilla kappaleilla aaltomaisuuden havaitseminen on käytännössä mahdotonta.