Kaj so valovi snovi?

Valovi snovi, imenovani tudi de Brogliejevi valovi, so valovna narava vse snovi, vključno z atomi, ki sestavljajo vaše telo. Ena prvih in najpomembnejših ugotovitev kvantne fizike je, da imajo elektroni dvojno naravo valovnih delcev. Kmalu je postalo očitno, da ima vsa snov to dvojno naravo, a ker ima običajna snov velik zagon glede na elektrone, je valovna dolžina valovanja snovi zelo majhna in v večini primerov komaj opazna. Na primer, valovna dolžina snovi, ki sestavlja človeka, je približno 10–35 metrov, kar je veliko manjše, kot je mogoče opaziti z uporabo trenutnih merilnih tehnologij.

Koncept valovanja snovi je prvi razjasnil francoski fizik Louis de Broglie, ki je razširil zgodnje teorije, ki so jih predlagali Albert Einstein, Max Planck in Neils Bohr. Bohr je preučeval predvsem kvantno obnašanje vodikovih atomov, medtem ko je de Broglie poskušal razširiti te ideje, da bi določil enačbo valovne dolžine za vso snov. De Broglie je pripravil teorijo in jo predstavil v svoji doktorski disertaciji leta 1924, za katero je leta 1929 prejel Nobelovo nagrado za fiziko. To je bil prvi primer, ko je bila Nobelova nagrada podeljena za doktorsko disertacijo.

Enačbe, znane kot de Brogliejevi odnosi, opisujejo dvojno naravo valovnih delcev vse snovi. Ta razmerja navajajo, da je valovna dolžina delca obratno sorazmerna z njegovim zagonom (masa pomnožena s hitrostjo), njegova frekvenca pa sorazmerna z njegovo kinetično energijo, ki je od okvirja odvisna (relativna) vrednost. Tako imajo delci z nizkim zagonom, kot so elektroni pri sobni temperaturi, de Broglievo valovno dolžino približno 8 nanometrov. Delci s še nižjim zagonom, kot so atomi helija pri temperaturah le nekaj nanokelvinov, bi lahko imeli valove snovi z valovnimi dolžinami do nekaj mikronov. V takih nenavadnih pogojih so realnosti kvantnega sveta skoraj pripeljane v makro območje.

De Brogliejeve teorije o valovih snovi so bile potrjene leta 1927, ko sta znanstvenika Bell Labs Lester Germer in Clinton Davisson izstrelila počasi premikajoče se elektrone na kristalno nikljevo tarčo. Nastali difrakcijski vzorec je pokazal valovne značilnosti elektronov, podobne tistim, za katere je znano, da jih prikazujejo fotoni, kot so tisti v rentgenskih žarkih. Valove snovi je bilo mogoče opazovati le v tem primeru, ker so imeli elektroni, uporabljeni za njihovo proizvodnjo, zelo nizek zagon. Od leta 1927 je bila valovna narava različnih drugih elementarnih delcev empirično dokazana.