امواج ماده چیستند؟

در سال ۱۳۰۳ / ۱۹۲۴ هنگامی که یک فیزیکدان جوان فرانسوی به نام لویی دوبروی مشغول نوشتن رساله دکترای خود بود به ناگهان به‌ایده بدیعی در مورد ذرات ماده دست یافت. دوبروی پیش خود گفت مگر نه این است که فوتونهای نور که قبلا تصور می‌کردیم صرفا رفتار موجی دارند رفتار ذره مانند هم از خود بروز می‌دهند، پس آیا ممکن است همین قضیه برای ذرات ماده هم صادق باشد؛ یعنی ممکن است ذرات ماده (نظیر الکترون‌ها و …) نیز بتوانند رفتار موج مانند از خود بروز دهند؟

دوبروی شروع به فرمول‌بندی ایده خود کرد و توانست رابطه‌ای را برای طول موج «امواج ماده» پیدا کند. براساس رابطه دوبروی، طول موج امواج ذرات ماده باید با تکانه آن‌ها نسبت معکوس داشته باشد. دوبروی با کمک این رابطه حتی توانست شرط کوانتش بوهر را نیز که در مدل اتمی او به عنوان یک فرض اولیه مطرح شده بود اما مبنای شناخته شده‌ای نداشت به دست آورد. دوبروی نشان داد که اگر الکترون واقعا رفتار موجی داشته باشد پس رفتار الکترون در مدار بسته اتم همانند یک موج ایستا خواهد بود و در این صورت، اندازه محیط مدار الکترون در اتم باید مضرب صحیحی از طول موج این موج ایستای الکترونی باشد و همین مساله به طور طبیعی منجر به شرط کوانتیده بودن تکانه زاویهای الکترون در مدل اتمی بوهر و در نتیجه کوانتیده بودن ترازهای انرژی اتم می‌شود.

هنوز سه سال بیشتر از مطرح شدن ایده وجود امواج ماده توسط لویی دوبروی نگذشته بود که دو فیزیکدان آمریکایی به نامهای کلینتون دیویسون و لستر گرمر با انجام آزمایشی از وجود این امواج اسرارآمیز پرده برداشتند.

دیویسون وگرمر در آزمایش خود باریکه‌ای از الکترونها را با عبور از یک اختلاف پتانسیل تقریبا صد ولتی شتاب داده و آن‌ها را به قطعه‌ای از یک بلور تاباندند. بر اساس محاسبات دوبروی، طول موج این الکترونها باید چیزی در حدود فواصل مابین اتمها در بلور می‌بود و بنابراین چنانچه امواج ماده واقعا وجود داشتند باید موج الکترونی پس از برخورد با اتم‌های بلور پراکنده شده و یک الگوی پراش – مشابه آنچه قبلا فیزیکدانی به نام ماکس فون لاوه آن را توسط پرتوهای X مشاهده کرده بود به وجود آورند.

نتیجه آزمایش دیویسون-گرمر وجود امواج ماده را در مورد الکترونها تأیید کرد. بعدها فیزیکدان‌ها توانستند امواج ماده را در مورد ذرات دیگری نظیر نوترون‌ها، اتم‌های خنثی و حتی مولکول‌ها نیز مشاهده کنند. این کشف مهم جایزه نوبل سال ۱۳۰۸ / ۱۹۲۹ را برای دوبروی به ارمغان آورد؛ اما مهم‌تر از آن، زمینه را برای فرمول‌بندی نهایی مکانیک کوانتومی در قالب ریاضی مکانیک موجی فراهم کرد.