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द्रव्य तरंगें और दे ब्रॉग्ली संबंध

प्रकाश तरंग की तरह भी चलता है और कण की तरह भी। 1924 में लुई दे ब्रॉग्ली ने कहा कि द्रव्य भी ऐसा ही करता है: हर गतिमान कण के साथ एक तरंग होती है, जिसकी तरंगदैर्ध्य λ = h/p = h/mv। गतिज ऊर्जा K वाले कण के लिए λ = h/√(2mK); V वोल्ट से त्वरित इलेक्ट्रॉन के लिए λ = 1.227/√V nm। रोज़ की चीज़ों की λ बहुत ही छोटी होती है, पर इलेक्ट्रॉन की λ परमाणु के आकार जितनी होती है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक क्रिकेट गेंद 36 m/s से उड़ रही है। दे ब्रॉग्ली कहते हैं इसकी भी तरंग है, पर उसकी तरंगदैर्ध्य लगभग 10⁻³⁴ m है, इसलिए साथ की रेखा सपाट ही रहती है।
  2. अब 100 वोल्ट से धकेला गया एक इलेक्ट्रॉन। इसकी तरंग साफ़ दिखती है: लगभग 0.12 nm लंबी, लगभग एक परमाणु जितनी।
  3. इलेक्ट्रॉन को और ज़्यादा वोल्टेज से धकेलो। वह तेज़ चलता है, संवेग p बढ़ता है और तरंग सिकुड़कर छोटी हो जाती है। λ = h/p।
  4. उसी 100 V पर प्रोटॉन रखो। वह 1836 गुना भारी है, इसलिए उसका संवेग बड़ा और तरंग लगभग 43 गुना छोटी है।
  5. इलेक्ट्रॉन के लिए एक झटपट सूत्र है: λ = 1.227/√V nm। वोल्टेज 4 गुना करो तो तरंगदैर्ध्य आधी।
  6. अब तुम्हारी बारी: इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, ऐल्फा कण या गेंद चुनो और वोल्टेज बदलो। भारी या तेज़ = छोटी तरंग।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

अगर गेंद की तरंग है, तो वह लहराती क्यों नहीं दिखती?

उसकी तरंगदैर्ध्य लगभग 10⁻³⁴ m है, परमाणु से भी खरबों गुना छोटी। तरंग कागज़ पर है, पर कोई असर दिखाने के लिए बहुत छोटी। चरण 1 में रेखा सपाट है।

क्या तरंग का मतलब है कि इलेक्ट्रॉन टेढ़ा-मेढ़ा चलता है?

नहीं। इलेक्ट्रॉन टेढ़ा-मेढ़ा नहीं चलता। तरंग बताती है कि इलेक्ट्रॉन कहाँ मिलने की संभावना है। बनी हुई तरंग सिर्फ़ उसकी तस्वीर है।

तेज़ इलेक्ट्रॉन की तरंग छोटी क्यों होती है?

λ = h/p। तेज़ = ज़्यादा संवेग, और ज़्यादा संवेग = छोटी λ। चरण 3 में तरंग सिकुड़ती देखो।

उसी वोल्टेज पर प्रोटॉन की तरंग इतनी छोटी क्यों?

दोनों को समान ऊर्जा eV मिलती है, पर प्रोटॉन 1836 गुना भारी है। p = √(2meV) लगभग 43 गुना बड़ा, इसलिए λ 43 गुना छोटी। चरण 4 देखो।

क्या 1.227/√V हर कण पर लगा सकते हैं?

नहीं। 1.227 इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान और आवेश से बनता है। दूसरे कणों के लिए λ = h/√(2mqV) लगाओ। चरण 5 इलेक्ट्रॉन का झटपट सूत्र दिखाता है।

क्या भारी कणों की तरंग हमेशा छोटी होती है?

केवल तब जब चाल, ऊर्जा या वोल्टेज समान हो। दो कणों का संवेग समान हो तो तरंगदैर्ध्य बराबर होती है। खुले खेल में आज़माओ।

द्वैत प्रकृति: पहले प्रकाश, फिर द्रव्य

प्रकाश व्यतिकरण और विवर्तन दिखाता है, इसलिए वह तरंग है। प्रकाश विद्युत प्रभाव में वह ऊर्जा पैकेटों में देता है, इसलिए वह कण (फोटॉन) भी है। यह प्रकाश की द्वैत प्रकृति है।

1924 में लुई दे ब्रॉग्ली ने एक सीधा सवाल पूछा: प्रकृति संतुलन पसंद करती है; अगर तरंगें कण जैसी हो सकती हैं, तो क्या कण तरंग जैसे हो सकते हैं? उन्होंने कहा, हाँ। हर गतिमान द्रव्य के साथ एक तरंग जुड़ी होती है। इसे द्रव्य तरंग या दे ब्रॉग्ली तरंग कहते हैं।

दे ब्रॉग्ली संबंध

फोटॉन के लिए संवेग p = h/λ। दे ब्रॉग्ली ने यही नियम द्रव्य पर लगाया:

λ = h / p = h / (m v)

यहाँ h = 6.63 × 10⁻³⁴ J s, m द्रव्यमान और v कण की चाल है।

गतिज ऊर्जा और वोल्टेज के रूप में λ

गतिज ऊर्जा K = ½mv² = p²/2m, इसलिए p = √(2mK) और

λ = h / √(2mK)

आवेश q वाला कण विराम से विभवांतर V द्वारा त्वरित हो तो K = qV:

λ = h / √(2mqV)

इलेक्ट्रॉन के लिए (m = 9.11 × 10⁻³¹ kg, q = 1.6 × 10⁻¹⁹ C) यह बनता है

λ = 1.227 / √V nm (V वोल्ट में)।

V = 100 V पर λ ≈ 0.123 nm। यह क्रिस्टल में परमाणुओं के बीच की दूरी जितना है, इसीलिए क्रिस्टल इलेक्ट्रॉनों का विवर्तन कर सकते हैं।

गेंद की तरंग हमें क्यों नहीं दिखती?

36 m/s से चलती 0.16 kg की क्रिकेट गेंद का p ≈ 5.8 kg m/s, इसलिए λ ≈ 1.1 × 10⁻³⁴ m। यह नाभिक (लगभग 10⁻¹⁵ m) से भी बहुत छोटी है। इतनी छोटी कोई झिरी या क्रिस्टल नहीं होता, इसलिए इसका तरंग प्रभाव कभी नहीं दिखता। तरंग प्रभाव तभी दिखते हैं जब λ रुकावट के आकार के आसपास हो। इसलिए तरंग प्रकृति इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रॉन जैसे छोटे कणों के लिए मायने रखती है, रोज़ की चीज़ों के लिए नहीं।

कणों और फोटॉन की तुलना

करके देखो: पहले अनुमान, फिर जाँच

  1. 3D में इलेक्ट्रॉन चुनो और V = 100 रखो। λ लिखो। अनुमान लगाओ V = 400 पर λ कितनी होगी, फिर जाँचो (आधी होनी चाहिए)।
  2. V = 100 रखो। प्रोटॉन, फिर ऐल्फा कण चुनो। देखने से पहले तीनों तरंगदैर्ध्य को क्रम में लगाओ।
  3. क्रिकेट गेंद चुनो। स्लाइडर 1 से 60 m/s तक ले जाओ। क्या रेखा कभी लहराती है? क्यों नहीं?
  4. घर पर: गेंद को दरवाज़े से फेंको। वह ध्वनि की तरह फैलती नहीं। अपनी λ (द्रव्यमान लगभग 50 kg, चाल 1 m/s) की तुलना दरवाज़े की चौड़ाई से करो।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 36 m/s से चलती 0.16 kg की गेंद की दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य निकालो।

चरण 1: p = mv = 0.16 × 36 = 5.76 kg m/s। चरण 2: λ = h/p = 6.63 × 10⁻³⁴ / 5.76। चरण 3: λ ≈ 1.15 × 10⁻³⁴ m, जो देखने के लिए बहुत छोटी है।

2. एक इलेक्ट्रॉन 2 × 10⁶ m/s से चल रहा है। उसकी दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य निकालो।

चरण 1: p = mv = 9.11 × 10⁻³¹ × 2 × 10⁶ = 1.822 × 10⁻²⁴ kg m/s। चरण 2: λ = 6.63 × 10⁻³⁴ / 1.822 × 10⁻²⁴। चरण 3: λ ≈ 3.64 × 10⁻¹⁰ m = 0.364 nm।

3. एक इलेक्ट्रॉन को 144 V से त्वरित किया गया। उसकी दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य निकालो।

चरण 1: λ = 1.227/√V nm लगाओ। चरण 2: √144 = 12। चरण 3: λ = 1.227/12 ≈ 0.102 nm।

4. 50 eV गतिज ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन की तरंगदैर्ध्य निकालो।

चरण 1: K = 50 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 8 × 10⁻¹⁸ J। चरण 2: p = √(2mK) = √(2 × 9.11 × 10⁻³¹ × 8 × 10⁻¹⁸) ≈ 3.82 × 10⁻²⁴ kg m/s। चरण 3: λ = h/p ≈ 1.74 × 10⁻¹⁰ m = 0.174 nm। (जाँच: 1.227/√50 = 0.174 nm।)

5. एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा समान है। अनुपात λe : λp निकालो (mp = 1836 me)।

चरण 1: λ = h/√(2mK); K समान है, तो λ ∝ 1/√m। चरण 2: λe/λp = √(mp/me) = √1836। चरण 3: λe : λp ≈ 42.8 : 1।

6. एक प्रोटॉन और एक ऐल्फा कण समान वोल्टेज से त्वरित हैं। λp : λα निकालो (mα = 4mp, qα = 2qp)।

चरण 1: λ = h/√(2mqV) → λ ∝ 1/√(mq)। चरण 2: λp/λα = √(4 × 2) = √8। चरण 3: λp : λα = 2√2 : 1 ≈ 2.83 : 1।

7. इलेक्ट्रॉन को कितने वोल्टेज से त्वरित करें कि उसकी तरंगदैर्ध्य 0.1 nm हो?

चरण 1: λ = 1.227/√V → √V = 1.227/0.1 = 12.27। चरण 2: V = 12.27² ≈ 150.6 V। चरण 3: यानी लगभग 151 V।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. किसी कण की दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य है:
2. इलेक्ट्रॉन की चाल दोगुनी हो जाए तो तरंगदैर्ध्य:
3. 100 V से त्वरित इलेक्ट्रॉन की तरंगदैर्ध्य लगभग है:
4. समान गतिज ऊर्जा पर सबसे बड़ी तरंगदैर्ध्य किसकी होगी?
5. चलती कार का तरंग प्रभाव क्यों नहीं दिखता?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

दे ब्रॉग्ली संबंध क्या है?

हर गतिमान कण के साथ एक तरंग होती है जिसकी तरंगदैर्ध्य λ = h/p, जहाँ h प्लांक नियतांक और p = mv कण का संवेग है।

V वोल्ट से त्वरित इलेक्ट्रॉन की दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्ध्य क्या है?

λ = h/√(2meV), जो हल करने पर λ = 1.227/√V नैनोमीटर बनती है।

क्या रोज़ की चीज़ों की भी द्रव्य तरंगें होती हैं?

हाँ, पर उनकी तरंगदैर्ध्य इतनी छोटी (गेंद के लिए लगभग 10⁻³⁴ m) है कि उसका कोई असर कभी नापा नहीं जा सकता।

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