Французский физик Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль родился в Дьеппе. Он был младшим из трех детей Виктора де Бройля и урожденной Полин де ля Форест д"Армайль. Как старший мужчина этой аристократической семьи, его отец носил титул герцога. На протяжении столетий де Бройли служили нации на военном и дипломатическом поприще, но Луи и его брат Морис нарушили эту традицию, став учеными.

Выросший в утонченной и привилегированной среде французской аристократии, Б. еще до поступления в лицей Жансон-де-Сайи в Париже был увлечен различными науками. Особый интерес в нем вызывала история, изучением которой Б. занялся на факультете искусств и литературы Парижского университета, где он в 1910 г. получил степень бакалавра. Не без влияния старшего брата Мориса Б. все больше увлекался физикой и, по его собственным словам, «философией, обобщениями и книгами [Анри] Пуанкаре», знаменитого французского математика. После периода интенсивных занятий он в 1913 г. получил ученую степень по физике на факультете естественных наук Парижского университета.

В тот же год Б. был призван на военную службу и зачислен во французский инженерный корпус. После начала в 1914 г. первой мировой войны он служил в радиотелеграфном дивизионе и провел большую часть военных лет на станции беспроволочного телеграфа при Эйфелевой башне. Через год после окончания войны Б. возобновил свои занятия физикой в частной научно-исследовательской лаборатории своего брата. Он изучал поведение электронов, атомов и рентгеновских лучей.

Это было увлекательное время для физиков, когда загадки возникали буквально на каждом шагу. В XIX в. классическая физика достигла столь больших успехов, что некоторые ученые начали сомневаться, остались ли нерешенными хотя бы какие-то принципиальные научные проблемы. И лишь в самые последние годы столетия были сделаны такие поразительные открытия, как рентгеновское излучение, радиоактивность и электрон. В 1900 г. Макс Планк предложил свою революционную квантовую теорию для объяснения соотношения между температурой тела и испускаемым им излучением. Вопреки освященному веками представлению о том, что свет распространяется непрерывными волнами, Планк высказал предположение о том, что электромагнитное излучение (всего лишь за несколько десятилетий до этого было доказано, что свет представляет собой электромагнитное излучение) состоит из неделимых порций, энергия которых пропорциональна частоте излучения. Новая теория позволила Планку разрешить проблему, над которой он работал, но она оказалась слишком непривычной, чтобы стать общепринятой. В 1905 г. Альберт Эйнштейн показал, что теория Планка – не математический трюк. Используя квантовую теорию, он предложил замечательное объяснение фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла под действием падающего на нее излучения). Было известно, что с увеличением интенсивности излучения число испущенных с поверхности электронов возрастает, но их скорость никогда не превосходит некоторого максимума. Согласно предложенному Эйнштейном объяснению, каждый квант передает свою энергию одному электрону, вырывая его с поверхности металла: чем интенсивнее излучение, тем больше фотонов, которые высвобождают больше электронов; энергия же каждого фотона определяется его частотой и задает предел скорости вылета электрона. Заслуга Эйнштейна не только в том, что он расширил область применения квантовой теории, но и в подтверждении им ее справедливости. Свет, несомненно обладающий волновыми свойствами, в ряде явлений проявляет себя как частицы.

Новое подтверждение квантовой теории последовало в 1913 г., когда Нильс Бор предложил модель атома, которая соединила концепцию Эрнста Резерфорда о плотном центральном ядре, вокруг которого обращаются электроны, с определенными ограничениями на электронные орбиты. Эти ограничения позволили Бору объяснить линейчатые спектры атомов, которые можно наблюдать, если свет, испущенный веществом, находящимся в возбужденном состоянии при горении или электрическом разряде, пропустить через узкую щель, а затем через спектроскоп – оптический прибор, пространственно разделяющий компоненты сигнала, соответствующие различным частотам или длинам волн (различным цветам). В результате возникает серия линий (изображений щели), или спектр. Положение каждой спектральной линии зависит от частоты определенной компоненты. Спектр целиком определяется излучением атомов или молекул светящегося вещества. Бор объяснял возникновение спектральных линий «перескоком» электронов в атомах с одной «разрешенной» орбиты на другую, с более низкой энергией. Разность энергий между орбитами, теряемая электроном при переходе, испускается в виде кванта, или фотона – излучения с частотой, пропорциональной разности энергий. Спектр представляет собой своего рода кодированную запись энергетических состояний электронов. Модель Бора, таким образом, подкрепила и концепцию дуальной природы света как волны и потока частиц.

Несмотря на большое число экспериментальных подтверждений, мысль о двойственном характере электромагнитного излучения у многих физиков продолжала вызывать сомнения. К тому же в новой теории обнаружились уязвимые места. Например, модель Бора «разрешенные» электронные орбиты ставила в соответствии наблюдаемым спектральным линиям. Орбиты не следовали из теории, а подгонялись, исходя из экспериментальных данных.

Б. первым понял, что если волны могут вести себя как частицы, то и частицы могут вести себя как волны. Он применил теорию Эйнштейна – Бора о дуализме волна-частица к материальным объектам. Волна и материя считались совершенно различными. Материя обладает массой покоя. Она может покоиться или двигаться с какой-либо скоростью. Свет же не имеет массы покоя: он либо движется с определенной скоростью (которая может изменяться в зависимости от среды), либо не существует. По аналогии с соотношением между длиной волны света и энергией фотона Б. высказал гипотезу о существовании соотношения между длиной волны и импульсом частицы (массы, умноженной на скорость частицы). Импульс непосредственно связан с кинетической энергией. Таким образом, быстрый электрон соответствует волне с более высокой частотой (более короткой длиной волны), чем медленный электрон. В каком обличье (волны или частицы) проявляет себя материальный объект зависит от условий наблюдения.

С необычайной смелостью Б. применил свою идею к модели атома Бора. Отрицательный электрон притягивается к положительно заряженному ядру. Для того чтобы обращаться вокруг ядра на определенном расстоянии, электрон должен двигаться с определенной скоростью. Если скорость электрона изменяется, то изменяется и положение орбиты. В таком случае центробежная сила уравновешивается центростремительной. Скорость электрона на определенной орбите, находящейся на определенном расстоянии от ядра, соответствует определенному импульсу (скорости, умноженной на массу электрона) и, следовательно, по гипотезе Б., определенной длине волны электрона. По утверждению Б., «разрешенные» орбиты отличаются тем, что на них укладывается целое число длин волн электрона. Только на таких орбитах волны электронов находятся в фазе (в определенной точке частотного цикла) с самими собой и не разрушаются собственной интерференцией.

В 1924 г. Б. представил свою работу «Исследования по квантовой теории» («Researches on the Quantum Theory») в качестве докторской диссертации факультету естественных наук Парижского университета. Его оппоненты и члены ученого совета были поражены, но настроены весьма скептически. Они рассматривали идеи Б. как теоретические измышления, лишенные экспериментальной основы. Однако по настоянию Эйнштейна докторская степень Б. все же была присуждена. В следующем году Б. опубликовал свою работу в виде обширной статьи, которая была встречена с почтительным вниманием. С 1926 г. он стал лектором по физике Парижского университета, а через два года был назначен профессором теоретической физики Института Анри Пуанкаре при том же университете.

На Эйнштейна работа Б. произвела большое впечатление, и он советовал многим физикам тщательно изучить ее. Эрвин Шредингер последовал совету Эйнштейна и положил идеи Б. в основу волновой механики, обобщившей квантовую теорию. В 1927 г. волновое поведение материи получило экспериментальное подтверждение в исследованиях Клинтона Дж. Дэвиссона и Лестера Х. Джермера, работавших с низкоэнергетическими электронами в Соединенных Штатах, и Джорджа П. Томсона, использовавшего электроны большой энергии в Англии. Открытие связанных с электронами волн, которые можно отклонять в нужную сторону и фокусировать, привело в 1933 г. к созданию Эрнстом Руской электронного микроскопа. Волны, связанные с материальными частицами, теперь принято называть волнами де Бройля.

В 1929 г. «за открытие волновой природы электронов» Б. был удостоен Нобелевской премии по физике. Представляя лауреата на церемонии награждения, член Шведской королевской академии наук К.В. Озеен заметил: «Исходя из предположения о том, что свет есть одновременно и волновое движение, и поток корпускул [частиц], Б. открыл совершенно новый аспект природы материи, о котором ранее никто не подозревал... Блестящая догадка Б. разрешила давний спор, установив, что не существует двух миров, один – света и волн, другой – материи и корпускул. Есть только один общий мир».

Б. продолжил свои исследования природы электронов и фотонов. Вместе с Эйнштейном и Шредингером он в течение многих лет пытался найти такую формулировку квантовой механики, которая подчинялась бы обычным причинно-следственным законам. Однако усилия этих выдающихся ученых не увенчались успехом, а экспериментально было доказано, что такие теории неверны. В квантовой механике возобладала статистическая интерпретация, основанная на работах Нильса Бора, Макса Борна и Вернера Гейзенберга. Эту концепцию часто называют копенгагенской интерпретацией в честь Бора, который разрабатывал ее в Копенгагене.

В 1933 г. Б. был избран членом Французской академии наук, а в 1942 г. стал ее постоянным секретарем. В следующем году он основал Центр исследований по прикладной математике при Институте Анри Пуанкаре для укрепления связей между физикой и прикладной математикой. В 1945 г., после окончания второй мировой войны, Б. и его брат Морис были назначены советниками при французской Высшей комиссии по атомной энергии.

Б. никогда не состоял в браке. Он любил совершать пешие прогулки, читать, предаваться размышлениям и играть в шахматы. После смерти своего брата в 1960 г. он унаследовал герцогский титул. Б. скончался в парижской больнице 19 марта 1987 г. в возрасте 94 лет.

Помимо Нобелевской премии, Б. был награжден первой медалью Анри Пуанкаре Французской академии наук (1929), Гран-при Альберта I Монакского (1932), первой премией Калинги ЮНЕСКО (1952) и Гран-при Общества инженеров Франции (1953). Он был обладателем почетных степеней многих университетов и членом многих научных организаций, в том числе Лондонского королевского общества, американской Национальной академии наук и Американской академии наук и искусств. В 1945 г. он был выдвинут в состав Французской академии братом Морисом в знак признания его литературных достижений.

Наш курс называется физические основы современных полупроводниковых нанотехнологий. Название уже очерчивает круг вопросов, которых мы коснёмся.

ЛЕКЦИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ

Сейчас очень много говорят о современных нанотехнологиях. А что же это такое? Я уверен, что большинство их наших сограждан не знают, что это такое. Между тем, по моему убеждению, современный специалист должен, по крайней мере, понимать смысл этих слов. Так же как культурный багаж человека составляет знание основ мировой истории, знание выдающихся полководцев, поэтов, писателей и учёных, когда-либо посетивших этот лучший из миров, так и, по крайней мере, представление о том, на основании чего формируется значительная, если не большая часть нашего окружения, должны иметь современные специалисты. Я ни в коем случае не преувеличиваю, когда говорю, что значительная, и всё увеличивающаяся часть нашего бытия, создаётся ныне на основе нанотехнологий. Примеры использования нанотехнологий можно встретить в компьютерах и телевизорах, всевозможных умных бытовых приборах, в мобильных телефонах, наконец! Вы видите, какой гигантский прогресс, например в компьютерах – в увеличении оперативной памяти, повышении тактовой частоты, в увеличивающемся числе всевозмож ных наворотов, происходит на наших глазах. И в значительной степени такой прогресс обусловлен развитием современных нанотехнологий.

Наш курс ознакомительный. Я вам прочитаю 6 или 7 лекций и у нас будет зачёт. Хочу сказать, что нигде в Украине, насколько я знаю, такой курс не читается, поэтому учебников нет и в качестве рекомендуемой литературы я могу посоветовать только ИНТЕРНЕТ.

По согласованию с руководством вашей кафедры я затрону физику, которая лежит в основе современных нанотехнологий, затем расскажу о самих методах получения наноприборов, затем мы рассмотрим источники излучения и фотоприёмники, и, наконец, коснёмся световодных линий передачи информации.

Итак, когда говорят о нанотехнологиях, то подразумевают, что устройства на основе нанотехнологий имею размеры порядка нанометров. Я напомню, что приставка “нано” означает 10 -9 . Единица длины в системе СИ 1 м. Тысячная доля м – 1 мм, тысячная доля мм – 1м, и тысячная доля микрометра – 1 нм. Но если, по мере уменьшения размеров объектов до долей микрона мы можем пользоваться обычной физикой для описания таких объектов, то уже для описания объектов нанометрового диапазона обычные представления не годятся. Нанообъекты необходимо описывать с привлечением квантовой механики. Т.о, для понимания физики нанообъектов необходимо вспомнить основные положения квантовой механики.

1.1. Идея де бройля

Многие считают, что создание квантовой механики – одно из выдающихся достижений человечества в 20 в. В принципе, основные положения квантовой механики были сформулированы в 20-х годах прошлого века. Начало было положено французским учёным Луи де Бройлем. Он выдвинул совершенно, казалось бы, сумасшедшую идею. Настолько необычную, что даже А.Эйнштейн назвал её сумасшедшей. Так, в письме к Н.Бору, выдающемуся датскому физику, А.Эйнштейн рекомендовал ему познакомиться с диссертацией дотоле никому неизвестного француза. А. Эйнштейн писал: “Прочтите её (диссертацию). Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно”. Что же было такого необычного в диссертации Л.де Бройля? “В оптике,- писал он,- в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делается ли в теории вещества обратная ошибка?”. Таким образом, Л.де Бройль предположил, что частицы вещества, наряду с корпускулярными, обладают и волновыми свойствами, аналогично тому, как это уже было установлено для света 1 . И далее, основываясь на единстве природы, он постулировал, что электрон должен обладать волновыми свойствами, причём формулы для длины волны электрона и частоты Л.-де Бройль положил такие же, как и для света:

(1.2).

Здесь - постоянная Планка,р иЕ – импульс и энергия электрона, соответственно.

1.2. Волновая функция

Почти сразу же Идеи де-Бройля получили экспериментальное подтверждение в опытах по дифракции электронов на пространственной решётке (опыты Дэвисона и Джермера) и Томпсона. Вы можете почитать об этих опытах в 3-м томе Курса общей физики И.В.Савельева. В нашу задачу не входит систематическое изложение квантовой механики. Я просто напоминаю основные положения. Итак, любой микрочастице соответствует комплексная функция координат и времени – так называемая  -функция, или волновая функция. Физический смысл имеет не сама -функция, а её квадрат модуля, который определяет вероятность (точнее, плотность вероятности) нахождения частицы в определённом состоянии. Отсюда следует естественное условие нормировки для волновой функции

(1.3).

Физически это означает, что частица объективно существует где-то в пространстве и вероятность её нахождения во всём пространстве есть вероятность достоверного события, которая, по определению, должна равняться 1. Тогда вероятность dP найти частицу в некотором объёмеdV будет определяться как

(1.4)

Явный вид  -функции находится из решения уравнения Шредингера, которое для стационарных 2 состояний имеет вид

(1.5).

Здесь
- оператор Лапласа,m – масса частицы,Е иU – её полная и потенциальная энергии, соответственно.

1.3. ДВИЖЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЧАСТИЦЫ.

Для свободной частицы потенциальная энергия равна нулю и уравнение Шредингера сводится к

(1.6)

Решением уравнения (1.6) будет плоская волна, которая распространяется вдоль оси x

(1.7)

Здесь
и полная энергияЕ равна кинетической энергии
. Вспоминаем, что классическое выражение для кинетической энергии
, откуда делаем вывод, что импульс электрона определяется как
в полном соответствии с формулой де Бройля (1.1) для длины волны электрона. На энергию и импульс никаких ограничений не накладывается - они могут быть любыми, а
, что означает, что электрон с одинаковой вероятностью можно встретить в любой точке вдоль осих .

Луи де Бройль, один из создателей квантовой механики - всемирно известный ученый, чьи работы в области теоретической физики, а также выдающийся литературный талант глубоко изменили современную физику и поставили его в один ряд с самыми выдающимися учеными нашего времени. Он первым пришел к выводу, что дуализм волна-частица - явление природы, а не ухищрения математиков для преодоления каких-то расходимостей. Его рассчеты волновых свойств частиц были подтверждены экспериментально (дифракция электронов).

Луи де Бройль лауреат нобелевской премии за 1929 года по физике за открытие волновых свойств электрона в 1923 году.

Подробная биография

Де Бройль родился в Дьеппе (Франция) в 1892 г. в одной из самых аристократических семей. Он окончил лицей в Париже и в 1909 г. получил степень бакалавра истории в Парижском университете. Однако, проявив склонность к точным наукам, он отказался от карьеры историка и палеонтолога и в 1913 г. получил в том же Парижском университете степень бакалавра точных наук.

После службы в армии в годы первой мировой войны де Бройль работал в лаборатории, созданной его братом Морисом де Бройлем, где занимался экспериментальным изучением самых высокочастотных излучений, которые только были доступны спектроскопическому исследованию и где проблема выбора между корпускулярной и волновой трактовкой оптических явлений стояла особенно остро. В 1924 г. Луи де Бройль защитил свою докторскую диссертацию на тему "Исследования в области квантовой теории", в которой он попытался перебросить мост между этими противоположными теориями. Де Бройль связал с каждой движущейся частицей волну определенной длины. В случае частиц со значительной массой, с которыми имеет дело классическая механика, почти полностью преобладают корпускулярные свойства. Волновые же свойства являются определяющими у частиц атомных размеров.

Отступив на первых порах от глубокого революционного содержания своей теорий, де Бройль пытался сохранить с помощью различных гипотез традиционную детерминистическую интерпретацию классической физики. Однако, столкнувшись с огромными математическими трудностями, он вынужден был согласиться с вероятностной и индетерминистской интерпретацией, в которой классическая механика становилась просто частным случаем более общей волновой механики.

Экспериментальное подтверждение наличия волновых свойств у частиц было получено четыре года спустя американскими физиками, сотрудниками лаборатории «Белл-телефон», обнаружившими, что атомные частицы, такие, как электроны и протоны, благодаря связанной с ними волне могут, подобно свету и рентгеновским лучам, испытывать дифракцию. Позднее эти идеи получили практическое осуществление при разработке магнитных линз, служащих основой электронного микроскопа.

Лауреат Нобелевской премии в области физики 1929 г. Луи де Бройль в том же году получил от Французской Академии Наук впервые учрежденную медаль Анри Пуанкаре. В 1933 г. он был избран действительным членом Французской Академии Наук, а в 1942, сменив Эмилия Пикара, стал одним из ее постоянных секретарей.

Наконец, с 1926 г. он много занимается вопросами образования и научного руководства. В 1928 г., прочитав несколько лекций и курсов в Сорбонне, Париже и Гамбургском университете, де Бройль получил кафедру теоретической физики в Институте имени Анри Пуанкаре, где организовал центр по изучению современной теоретической физики. В 1943 г., занимаясь решением проблем, возникших из-за недостаточной связи науки с производством, он основал в Институте имени Пуанкаре отдел исследований по прикладной механике. Этот интерес к практическому приложению науки нашел свое отражение в его последних работах, посвященных ускорителям заряженных частиц, волноводам, атомной энергии и кибернетике.

Луи де Бройль совместно со своим братом опубликовал важные научные работы по физике атомных частиц и оптике, примыкающие к его ранним работам, а также, в связи с фундаментальными исследованиями по волновой механике, работы по физике рентгеновских и гамма-лучей.

В своих лекциях и популярных книгах он обсуждает философские стороны проблем, возникающих в этих новых теориях. Самая последняя его работа в этой области - "История развития современной физики от Первого Солвеевского Конгресса физиков 1911 г. до настоящего времени".

За свою литературную работу он был удостоен избрания в 1945 году во Французскую Академию. Он является почетным президентом Французской Ассоциации писателей-ученых и в 1952 г. получил первую премию Калинга за высокое качество научных работ.

Когда в 1945 г. французское правительство образовало Высшую Комиссию по атомной энергии, Луи де Бройль был назначен ее техническим советником, а после реорганизации Комиссии в 1951 г. он стал членом ее Ученого совета.

Умер Луи де Бройль в 1987 году.

Ник. Горькавый

«Космические сыщики» - новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010-2014 гг. и в №№ 1, 4-7, 9, 2015 г.; № 1, 2016 г.

Луи де Бройль. 1929 год. Фото: Unkrown/Wikimedia Commons/PD.

Участники Сольвеевского конгресса 1927 года. Луи де Бройль третий справа во втором ряду. Фото: Benjamin Couprie, Institut International de Physigue Solvay, Brussels, Belgium/Wikimedia Commons/PD.

Герб герцогского рода Бройи. Artist Bruno/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0.

Вид снежинки в оптическом (слева) и в электронном (справа) микроскопе, созданном благодаря тому, что электроны, как и свет, обладают свойствами волны.

Карта кристаллического строения материала, полученная на сканирующем электронном микроскопе благодаря дифракции электронов на кристаллической решётке. Фото: Wikimedia Commons/PD.

Орден Академических пальм - награда Франции за заслуги в образовании и науке. Де Бройль был награждён этим орденом высшей степени. Фото: Fdutil/Wikimedia Commons/CC-BY-SA-3.0.

Нёйи-сюр-Сен - район на западной окраине Парижа, где Луи де Бройль прожил с 1928 по 1987 год. Фото: Moonik/CC-BY-SA-3.0.

Укладывая детей спать, Дзинтара, как обычно, открыла книгу и прочитала:

Что вы думаете, принц, о квантах господина Планка?

Я решил посвятить все свои силы выяснению их истинной природы, ведь глубокий смысл квантов ещё мало кто понимает.

Это смелый шаг, принц!

Галатея вытаращила глаза:

Ты что читаешь? Разве принцы обсуждали квантовые проблемы?

Да, по крайней мере один из них - Луи де Бройль из династии французских герцогов. Семья была богата и влиятельна, и Луи, младшему из пяти детей, прочили большое политическое будущее. После смерти отца в 1906 году он унаследовал титул князя («prince») Священной Римской империи, три года учился в престижном лицее Жансон-де-Сайи. В 18 лет талантливый юноша поступил в Парижский университет, где поначалу изучал историю и право. Но молодого принца не привлекала военная или дипломатическая карьера, которой посвящали себя мужчины его рода. Луи стал посещать курсы по «специальной математике», изучать материалы первого Сольвеевского конгресса, прошедшего в Брюсселе в 1911 году. На конгрессе обсуждались кванты, открытые за десять лет до этого и введённые в теоретическую физику Максом Планком. Прочитав о них, де Бройль твёрдо решил посвятить себя теоретической квантовой физике.

Видимо, он по-считал это достаточно аристократическим занятием! - прокомментировал Андрей.

Сестра Луи де Бройля, графиня де Панж, писала в своих мемуарах о превращении принца в учёного: «Дружелюбный и очаровательный маленький князь, которого я знала на протяжении всего детства, навсегда исчез. С решимостью и поразительной смелостью он постепенно, с каждым месяцем превращал себя в строгого учёного, ведущего монашескую жизнь».

Луи закончил университет в 1913 году, но его занятия физикой вскоре прервала Первая мировая война. Он прослужил в армии шесть лет и только потом вернулся к своей любимой науке. В 1924 году де Бройль написал диссертацию «Исследование теории квантов», где высказал поразительную по смелости идею. Основываясь на том, что свет обладает не только характеристиками волны, но и свойствами частиц, или квантовыми свойствами, де Бройль предположил, что и материальные частицы, например электроны, тоже обладают не только свойствами частиц, но и свойствами волн.

Частица со свойствами волны? - не поверила услышанному Галатея.

Да, причём любая. Учёный доказал, что, чем больше энергия частицы, тем больше частота её волны, а значит, длина волны меньше. Только волна эта не похожа на обычную электромагнитную. Её нередко называют «волной вероятности», поскольку она описывает вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства.

И я тоже обладаю волновыми свойствами? - удивился Андрей.

Да, и ты тоже. Но волна, соответствующая такому большому телу, как твоё, очень короткая и не может быть измерена обычными методами. Зато волновые свойства электрона обнаружить возможно.

Я полагаю, что моя волна гораздо больше, чем волна Андрея, - заявила Галатея.

Конечно, ведь твоя масса меньше, - согласился брат.

Дзинтара продолжила чтение:

Жорж Лошак - ученик и сотрудник де Бройля, писал, что для него «характерно интуитивное мышление посредством простых конкретных и реалистических образов, присущих трёхмерному физическому пространству… Для де Бройля понимать - значит наглядно представлять».

Действительно, в начале 20-х годов прошлого века диссертация де Бройля выделялась из общего ряда: минимум математики в сочетании с гениальным пониманием сути процесса, с наглядным представлением о нём. Это было время, когда теоретическая физика обогатилась сложными математическими теориями вроде общей теории относительности. В середине 1920-х годов квантовой механикой занялись такие выдающиеся физики-теоретики, как австриец Эрвин Шрёдингер, который воспользовался выдвинутой де Бройлем идеей для развития волновой теории электрона, англичанин Поль Дирак, немец Вернер Гейзенберг и многие другие. Они применяли самые разнообразные и очень сложные математические методы. А диссертация де Бройля была, пожалуй, последней научной работой в области теоретической физики, в которой удалось сделать важнейшие научные выводы, опираясь на весьма скромный математический аппарат в сочетании со смелым научным мышлением.

В своей книге «Революция в физике» де Бройль писал: «…если осторожность - мать безопасности, то судьба улыбается лишь отважным». Действительно, в научной смелости французскому учёному не откажешь. Научная смелость де Бройля была в какой-то степени обоснована его финансовой независимостью. Кто-то из учёных начала XXI века сказал, что, жил бы де Бройль на гранты, чёрта с два он сказал бы, что частица - это волна!».

Раз, как предположил де Бройль, электрон - это волна, то он должен быть подвержен дифракции , типичной для световых волн. Его вывод о волновых свойствах частиц в 1926 году подтвердили в эксперименте американские физики Клинтон Джозеф Дэвиссон и Лестер Хэлберт Джермер. Они показали, что тонкий пучок электронов, падая на кристаллическую решётку никеля, отражается от неё точно так же, как рентгеновское излучение с той же длиной волн.

Это значит, что длина волны у электрона такая же заметная, как и у рентгеновского излучения? - спросил Андрей.

Да! Сейчас уже известно немало примеров проявления волновых свойств электронов и других частиц. Волны де Бройля истолковывают как «волны вероятности», которые описывают распределение частицы, например электрона в пространстве. Но пока никто в мире не может утверждать, что это последнее слово в квантовой механике. Часть учёных продолжает думать вслед за Эйнштейном, что должна существовать и другая - детерминистическая - теория движения электрона, избавленная от принципиальной случайности. Эйнштейн полагал, что случайность присутствует в квантовой механике только из-за непонимания глубинных механизмов динамики квантовых систем.

Что такое детерни… детерминистическая теория? - спросила Галатея.

Это такая теория, которая позволяет точно вычислить будущее положение тел и их скорость. Например, небесная механика - детерминистическая теория, она даёт возможность с большой точностью рассчитать, где будут располагаться планеты Солнечной системы через сто или двести лет.

Трудно сказать, кто окажется прав в этом споре. Вполне возможно, что квантовые случайности сохранятся и на следующем витке понимания квантовой теории, но зато мы лучше поймём, что такое «волна вероятности», в каком виде существует в ней частица и почему она с такой лёгкостью и скоростью может выныривать в любой точке волны де Бройля, словно дельфин из морской волны. Может быть, чтобы ответить на эти вопросы, должен появиться новый де Бройль - учёный, который будет способен не только на математические выкладки, но и на более глубокое и наглядное проникновение в суть физического процесса.

Может быть… - мечтательно ответила Галатея, и в её горящих глазах совсем не было сна.

Луи Виктор Пьер Раймон , седьмой герцог де Бройи (1892-1987), более известный как Луи де Бройль, французский физик-теоретик, выдвинувший концепцию волновых свойств материи, которая стала одной из основ квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике 1929 года.

Сольвеевские конгрессы по физике проходят каждые три года и собирают выдающихся физиков и математиков со всего мира. Первый конгресс состоялся в 1911 году по личной инициативе и на средства бельгийского учёного и промышленника Эрнеста Сольве (1838-1922). Главный поставленный на нём вопрос: «Действительно ли нужно прибегать к квантовому описанию мира?» - стал поворотным пунктом в развитии физики XX века.

Жорж Лошак (1930) - французский физик. Глава Фонда де Бройля.

Клинтон Дэвиссон (1881-1958) - американский физик. Открыл дифракцию электронов на кристаллической решётке (опыт Дэвиссона - Джермера), что подтвердило существование волн де Бройля. Лауреат Нобелевской премии по физике1937 года.

Лестер Джермер (1896-1971) - американский физик, в соавторстве с К. Дэвиссоном открыл дифракцию электронов.

Длина волны квантовой частицы обратно пропорциональна ее импульсу.

Один из фактов субатомного мира заключается в том, что его объекты — такие как электроны или фотоны — совсем не похожи на привычные объекты макромира. Они ведут себя и не как частицы, и не как волны, а как совершенно особые образования, проявляющие и волновые, и корпускулярные свойства в зависимости от обстоятельств (см. Принцип дополнительности). Одно дело — это заявить, и совсем другое — связать воедино волновые и корпускулярные аспекты поведения квантовых частиц, описав их точным уравнением. Именно это и было сделано в соотношении де Бройля.

Луи де Бройль опубликовал выведенное им соотношение в качестве составной части своей докторской диссертации в 1924 году. Казавшееся сначала сумасшедшей идей, соотношение де Бройля в корне перевернуло представления физиков-теоретиков о микромире и сыграло важнейшую роль в становлении квантовой механики. В дальнейшем карьера де Бройля сложилась весьма прозаично: до выхода на пенсию он работал профессором физики в Париже и никогда более не поднимался до головокружительных высот революционных прозрений.

Теперь кратко опишем физический смысл соотношения де Бройля: одна из физических характеристик любой частицы — ее скорость. При этом физики по ряду теоретических и практических соображений предпочитают говорить не о скорости частицы как таковой, а о ее импульсе (или количестве движения ), который равен произведению скорости частицы на ее массу. Волна описывается совсем другими фундаментальными характеристиками — длиной (расстоянием между двумя соседними пиками амплитуды одного знака) или частотой (величина, обратно пропорциональная длине волны, то есть число пиков, проходящих через фиксированную точку за единицу времени). Де Бройлю же удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы р с длиной волны λ, которая ее описывает:

p = h /λ или λ = h /p

Это соотношение гласит буквально следующее: при желании можно рассматривать квантовый объект как частицу, обладающую количеством движения р ; с другой стороны, ее можно рассматривать и как волну, длина которой равна λ и определяется предложенным уравнением. Иными словами, волновые и корпускулярные свойства квантовой частицы фундаментальным образом взаимосвязаны.

Соотношение де Бройля позволило объяснить одну из величайших загадок зарождающейся квантовой механики. Когда Нильс Бор предложил свою модель атома (см. Атом Бора), она включала концепцию разрешенных орбит электронов вокруг ядра, по которым они могли сколь угодно долго вращаться без потери энергии. С помощью соотношения де Бройля мы можем проиллюстрировать это понятие. Если считать электрон частицей, то, чтобы электрон оставался на своей орбите, у него должна быть одна и та же скорость (или, вернее, импульс) на любом расстоянии от ядра.

Если же считать электрон волной, то, чтобы он вписался в орбиту заданного радиуса, надо, чтобы длина окружности этой орбиты была равна целому числу длины его волны. Иными словами, окружность орбиты электрона может равняться только одной, двум, трем (и так далее) длинам его волн. В случае нецелого числа длин волны электрон просто не попадет на нужную орбиту.

Главный же физический смысл соотношения де Бройля в том, что мы всегда можем определить разрешенные импульсы (в корпускулярном представлении) или длины волн (в волновом представлении) электронов на орбитах. Для большинства орбит, однако, соотношение де Бройля показывает, что электрон (рассматриваемый как частица) с конкретным импульсом не может иметь соответствующую длину волны (в волновом представлении) такую, что он впишется в эту орбиту. И наоборот, электрон, рассматриваемый как волна определенной длины, далеко не всегда будет иметь соответствующий импульс, который позволит электрону оставаться на орбите (в корпускулярном представлении). Иными словами, для большинства орбит с конкретным радиусом либо волновое, либо корпускулярное описание покажет, что электрон не может находиться на этом расстоянии от ядра.

Однако существует небольшое количество орбит, на которых волновое и корпускулярное представление об электроне совпадают. Для этих орбит импульс, необходимый для того, чтобы электрон продолжал движение по орбите (корпускулярное описание), в точности соответствует длине волны, необходимой, чтобы электрон вписался в окружность (волновое описание). Именно эти орбиты и оказываются разрешенными в модели атома Бора, поскольку только на них корпускулярные и волновые свойства электронов не вступают в противоречие.

Мне нравится еще одна интерпретация этого принципа — философская: модель атома Бора допускает только такие состояния и орбиты электронов, при которых не важно, какую из двух ментальных категорий человек применяет для их описания. То есть, иными словами, реальный микромир устроен так, что ему нет дела до того, в каких категориях мы пытаемся его осмыслить!

См. также: