Принцип на двойствеността между вълна и частица

С развитието на фотоелектричния ефект, ефекта на Кромптон и модела на Бор за атома, идеята за светлината или всъщност за радиацията като съставена от частици или дискретни кванта ставаше все по-популярна.
Въпреки това, много установената хюгеновска принцип и резултатите от опитите на Йонг с двойната пролука ясно показваха, че светлината е вълна, а не поток от частици.

Забелязаният интерференционен модел при преминаването на светлина през двойна пролука определено беше резултат от вълновата природа на светлината. Това отново доведе до споровете относно природата на светлината. В 1704 г. Нютон предложи корпускулярната теория, която предполага частичен характер на светлината.

Никоя от двете теории не беше достатъчно адекватна, за да обясни всички феномени, свързани със светлината. Така учениите започнаха да заключават, че светлината има както вълнов, така и частичен характер. През 1924 г. френският физик Луи де Бройл излезе с теория. Той предложи, че всички частици в този свят са свързани с вълнова природа, т.е. всичко в този свят, независимо дали е малък фотон или голям слон, всичко има свързана вълна, само че вълновата природа може да е забележима или не. Той определи дължина на вълна за всяка материя с маса m и импулс p като

Където h е постоянна на Планк, а p = mv, v е скоростта на тялото.

Така, поради огромната маса на слона, той има значителен импулс и следователно много малка дължина на вълна, която не можем да забележим. Въпреки това малки частици, като електроните, имат много малка маса и следователно много забележима дължина на вълна или вълнова природа. Теорията на де Бройл ни помага също да обясним дискретното съществуване на орбити в модела на Бор за атома. Електронът ще съществува в орбита, ако дължината му е равна на интегрален кратен на неговата естествена дължина на вълна, ако не може да завърши своята дължина на вълна, тази орбита няма да съществува.

Последващи разработки от Дейвисън и Гермер за електронната дифракция от кристал и подобен интерференционен модел, получен след бомбардиране на двойна пролука с електрони, засилиха теорията на де Бройл за вълновата природа на материята или двоен характер на вълна-частица.

Ефект на Комптон

В фотоелектричния ефект светлината удари метал в форма на лъч от частици, наречени фотони. Енергията на един фотон допринася за функцията на работа на един електрон, както и предоставя кинетична енергия на излъчения електрон. Тези фотони са частицеподобно поведение на светлинната вълна. Сър Альберт Айнщайн предложи, че светлината е колективен ефект на огромен брой пакети енергия, наречени фотони, където всеки фотон съдържа енергия hf. Където h е константа на Планк, а f е честотата на светлината. Това е частицеподобно поведение на светлинната вълна. Частицеподобното поведение на светлинната вълна или друга електромагнитна вълна може да бъде обяснено с ефект на Комптон.

В този опит, един лъч рентгеново излъчване с честота fo и дължина на вълна λo беше насочен към електрон. След удара на електрона от инцидентното рентгеново излъчване, беше установено, че електронът и инцидентното рентгеново излъчване са разпръснати в две различни ъгли спрямо оста на инцидентното рентгеново излъчване. Този сблъсък следва принципа на запазване на енергията, както и сблъсъкът на нютоновски частици. Беше установено, че след сблъсъка електронът се ускорява в определена посока, а инцидентното рентгеново излъчване е дифрацирано в друга посока и също беше наблюдавано, че дифрацираната лъч има различна честота и дължина на вълна от инцидентното рентгеново излъчване. Тъй като енергията на фотона варира с честотата, може да се заключи, че инцидентното рентгеново излъчване губи енергия при сблъсъка, а честотата на дифрацираната лъч винаги е по-малка от тази на инцидентното рентгеново излъчване. Тази загубена енергия на рентгеновия фотон допринася за кинетичната енергия за движението на електрона. Този сблъсък на рентгеново излъчване или неговия фотон и електрон е като сблъсък на нютоновски частици, като билардни топки.

Енергията на фотона се дава от

Следователно импулсът на фотона може да бъде доказан като

Което може да се запише като,

От уравнение (1) може да се заключи, че електромагнитната вълна с дължина на вълна λ ще има фотон с импулс p.
От уравнение (2) може да се заключи, че частица с импулс p е свързана с дължина на вълна λ. Това означава, че вълната има частицеподобни характеристики, а частицата при движение също проявява вълноподобно поведение.

Както вече казахме, това заключение беше направено първо от де Бройл и затова е известно като хипотеза на де Бройл. Тъй като дължината на вълна на движещата се частица се изразява като

Където p е импулсът, h е константа на Планк, а дължината на вълна λ се нарича дължина на вълна на де Бройл. Де Бройл обясни, че докато електроните обикалят около ядрото, те ще имат също вълноподобно поведение, както и частицеподобни характеристики.

Опитът на Дейвисън и Гермер

Вълновата природа на електрона може да бъде доказана и установена по много различни начини, но най-популярният опит е този на Дейвисън и Гермер през 1927 г. В този опит те използваха лъч от ускорени електрони, които нормално удариха повърхността на блок никел. Те наблюдаваха модела на разпръснатите електрони след удара върху блока никел. За тази цел те използваха монитор за плътността на електроните. Въпреки че се очакваше, че електроните трябва да бъдат разпръснати след сблъсъка под различни ъгли спрямо оста на инцидентния лъч с електрони, в реалния опит беше установено, че плътността на разпръснатите електрони е по-голяма при определени ъгли, отколкото при други. Тази ъглова разпределба на разпръснатите електрони е много подобна на интерференцията на дифракцията на светлината. Следователно този опит ясно показва съществуването на двоен характер на вълна-частица на електроните. Същият принцип може да бъде приложен и към протоните и неутроните.

Изявление: Уважавайте оригинала, добри статии са за споделяне, ако има нарушение на правата, моля, се обратете за изтриване.