Panjang Gelombang de Broglie dan Sifat Gelombang Jirim

Dalam fizik kuantum, zarah tidak dapat diterangkan sepenuhnya sebagai bebola klasik yang bergerak sepanjang satu laluan tepat. Louis de Broglie mencadangkan bahawa zarah bermomentum mempunyai panjang gelombang yang berkaitan dengannya. Hubungan asasnya ialah λ = h/p, dengan h ialah pemalar Planck dan p ialah momentum zarah.

Momentum lebih besar bermaksud panjang gelombang lebih pendek

Hubungan de Broglie bersifat songsang: apabila momentum meningkat, panjang gelombang berkurang. Bagi objek harian, momentum biasanya begitu besar sehingga panjang gelombangnya amat kecil dan kesan gelombang tidak dapat diperhatikan dalam keadaan biasa. Bagi elektron, neutron dan zarah mikroskopik lain, panjang gelombang boleh berada pada skala yang setanding dengan jarak atom dalam bahan. Sebagai contoh, elektron yang dipercepat melalui beza keupayaan 54 V mempunyai tenaga kinetik 54 eV dan kelajuan hanya kira-kira 1.5 peratus daripada kelajuan cahaya, jadi pengiraan bukan relativistik mencukupi. Daripada λ = h/√(2meV), dengan h = 6.626 × 10⁻³⁴ J s, m = 9.109 × 10⁻³¹ kg dan e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C (nilai CODATA), panjang gelombangnya kira-kira 0.167 nm, setanding dengan jarak antara atom dalam kristal. Sebaliknya, bola berjisim 0.15 kg yang bergerak pada 40 m/s mempunyai panjang gelombang kira-kira 1.1 × 10⁻³⁴ m, terlalu kecil untuk dikesan.

Kristal boleh mendedahkan sifat gelombang elektron

Susunan atom yang berkala dalam kristal menyediakan jarak yang sesuai untuk menghasilkan pembelauan. Dalam eksperimen Davisson dan Germer, elektron yang diserakkan oleh kristal nikel menghasilkan corak keamatan yang sepadan dengan jangkaan bagi gelombang yang mempunyai panjang gelombang de Broglie. Pemerhatian ini menjadi bukti awal yang kuat bahawa elektron mempamerkan tingkah laku gelombang.

Gelombang jirim bukan riak bahan klasik

Panjang gelombang de Broglie tidak bermaksud elektron merebak seperti gelombang air yang terdiri daripada bahan berayun. Dalam teori kuantum moden, sifat gelombang muncul melalui keadaan kuantum dan amplitud kebarangkalian yang boleh menghasilkan interferens. Pengukuran menghasilkan nilai pemerhatian tertentu bagi setiap kejadian, manakala pengulangan eksperimen membina taburan kebarangkalian untuk kuantiti seperti kedudukan atau momentum, dan kuantiti itu boleh mengambil sebarang nilai dalam julat taburan tersebut.

Panjang gelombang menentukan resolusi beberapa instrumen

Elektron yang dipercepatkan boleh mempunyai panjang gelombang jauh lebih pendek daripada cahaya tampak. Inilah salah satu sebab mikroskop elektron berpotensi membezakan struktur yang jauh lebih kecil daripada mikroskop optik biasa, walaupun resolusi sebenar turut bergantung pada kanta elektromagnet, penyimpangan sistem, kestabilan dan interaksi elektron dengan sampel.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?