مبدأ التضاعف الموجي الجسيمي

مع تطور تأثير الضوء الكهروضوئي، وتأثير كرومتون، ونموذج بور الذري، أصبحت فكرة أن الضوء أو الإشعاعات بشكل عام تتكون من جسيمات أو كميات متقطعة شائعة بشكل كبير.
ومع ذلك، كان مبدأ هوغن وملاحظات تجربة الشقين المزدوجة ليوانغ واضحة في أن الضوء هو موجة وليس تدفق جسيمات.

النمط الواضح للتشتت الذي يتم رصده عند مرور الضوء عبر الشقين المزدوج كان بالتأكيد نتيجة لطبيعة الموجة للضوء. وهذا أدى مرة أخرى إلى الجدل حول طبيعة الضوء. وفي عام 1704 اقترح نيوتن أيضاً الطبيعة الجسيمية للضوء بنظريته الجسيمية.

لم يكن أي من النظريتين كافياً لتفسير جميع الظواهر المرتبطة بالضوء. وهكذا بدأ العلماء يتوصلون إلى أن الضوء يمتلك طبيعة موجية وجسيمية. وفي عام 1924، جاء الفيزيائي الفرنسي لويس دي بروغلي بنظرية. فقد اقترح أن جميع الجسيمات في هذا الكون لها طبيعة موجية أيضاً، أي أن كل شيء في هذا العالم سواء كان فوتون صغير أو فيل ضخم، له موجة مرتبطة به، وأن الأمر مختلف فيما يتعلق بوضوح الطبيعة الموجية أم لا. وقد قام بتخصيص طول موجي لكل مادة ذات كتلة m وزخم p كما يلي:

حيث h هي ثابت بلانك و p = mv، v هي سرعة الجسم.

وبالتالي، بسبب الكتلة الهائلة للفيل فإنه يمتلك زخماً كبيراً وبالتالي طول موجي صغير جداً، والذي لا نستطيع ملاحظته. ومع ذلك، فإن الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات لديها كتلة صغيرة وبالتالي طول موجي واضح أو طبيعة موجية. هذه النظرية لدي بروغلي تساعدنا أيضاً في تفسير وجود مدارات متقطعة في نموذج بور الذري. سيوجد الإلكترون في مدار إذا كان طوله يساوي مضاعفًا صحيحًا لطول موجته الطبيعي، وإذا لم يتمكن من إكمال طول موجته فإن ذلك المدار لن يوجد.

تطورت الأبحاث بعد ذلك بواسطة ديفيسون وجيرمر بشأن تشتت الإلكترونات من البلورة والحصول على نمط تشتيت مشابه بعد قصف الشقين المزدوج بالإلكترونات، مما قوة نظرية موجة الجسيم لدي بروغلي أو نظرية الثنائية الموجية الجسيمية.

تأثير كومبتون

في التأثير الكهروضوئي، يضرب الضوء المعدن على شكل حزمة من الجسيمات تسمى الفوتونات. يساهم طاقة الفوتون الواحد في طاقة الدالة للإلكترون وكذلك يوفر الطاقة الحركية لذلك الإلكترون المنبعث. هذه الفوتونات هي السلوك الجسيمي للموجة الضوئية. اقترح ألبرت آينشتاين أن الضوء هو تأثير جماعي لعدد هائل من حزم الطاقة تسمى الفوتونات حيث يحتوي كل فوتون على طاقة hf. حيث h هي ثابت بلانك وf هي تردد الضوء. هذا هو السلوك الجسيمي للموجة الضوئية. يمكن شرح السلوك الجسيمي للموجة الضوئية أو الموجات الكهرومغناطيسية الأخرى بواسطة تأثير كومبتون.

في هذه التجربة، تم تسليط شعاع من الأشعة السينية بتردد fo وطول موجة λo على الإلكترون. بعد اصطدام الأشعة السينية بالإلكترون، وجد أن الإلكترون والأشعة السينية المنبعثة تم تشتتها في زاويتين مختلفتين بالنسبة لمحور الأشعة السينية incident. يطيع هذا التصادم مبدأ حفظ الطاقة كما في تصادم الجسيمات النيوتنية. وجد أن الإلكترون يتسارع في اتجاه معين والأشعة السينية المنبعثة تتشتت في اتجاه آخر، وأيضاً تم ملاحظة أن الأشعة المنبعثة لها تردد وطول موجة مختلف عن الأشعة السينية incident. بما أن طاقة الفوتون تختلف مع التردد، يمكن استنتاج أن الأشعة السينية تفقد طاقة خلال التصادمات وتردد الأشعة المنبعثة دائماً أقل من تردد الأشعة السينية incident. هذه الطاقة المفقودة للأشعة السينية تساهم في الطاقة الحركية للإلكترون. هذا التصادم بين الأشعة السينية أو فوتوناتها والإلكترون مماثل لتصادم الجسيمات النيوتنية مثل الكرات البيلياردية.

طاقة الفوتون تعطى بواسطة

وبالتالي يمكن إثبات زخم الفوتون كما يلي

والذي يمكن كتابته كالتالي,

من المعادلة (1) يمكن استنتاج أن الموجة الكهرومغناطيسية ذات طول موجة λ ستكون لها فوتون بزخم p.
من المعادلة (2) يمكن استنتاج أن الجسيم ذو الزخم p يكون مرتبطاً بطول موجة λ. وهذا يعني أن الموجة لها خصائص جسيمية، وأن الجسيم أثناء حركته يظهر سلوكاً موجياً.

كما قلنا سابقاً، تم الرسم الأول لهذه الاستنتاجات بواسطة دي بروغلي وبالتالي تعرف هذه باسم فرضية دي بروغلي. حيث يتم التعبير عن طول موجة الجسيم المتحرك كالتالي

حيث p هو الزخم، h هو ثابت بلانك وطول الموجة λ يعرف بطول موجة دي بروغلي. شرح دي بروغلي أن الإلكترونات التي تدور حول النواة سيكون لها أيضاً سلوك موجي بالإضافة إلى خصائصها الجسيمية.

تجربة ديفيسون وجيرمر

يمكن إثبات وتثبيت الطبيعة الموجية للإلكترون بعدة طرق مختلفة ولكن التجربة الأكثر شهرة هي تجربة ديفيسون وجيرمر في عام 1927. في هذه التجربة استخدموا شعاعاً من الإلكترونات المتسارعة التي تضرب عادة سطح قطعة نيكل. قاموا بمراقبة نمط الإلكترونات المشتتة بعد الاصطدام بالقطعة النيكلية. استخدموا مراقب كثافة الإلكترون لهذا الغرض. رغم أنه كان متوقعاً أن يتم تشتت الإلكترونات بعد الاصطدام بزوايا مختلفة بالنسبة لمحور الشعاع الإلكتروني incident، إلا أنه في التجربة الفعلية وجد أن كثافة الإلكترونات المشتتة كانت أكبر في زوايا معينة من غيرها. هذا التوزيع الزاوي للإلكترونات المشتتة مماثل لتشتت الضوء. وبالتالي توضح هذه التجربة بشكل واضح وجود الثنائية الموجية الجسيمية للإلكترونات. يمكن تطبيق نفس المبدأ على البروتونات والنيوترونات أيضاً.

بيان: احترم الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل لإزالته.