Principi de dualitat onda-partícula

Amb el desenvolupament de l'efecte fotoelèctric, l'efecte de Crompton i el model atòmic de Bohr, la idea que la llum o, en general, les radiacions estiguin compostes per partícules o quants discrets va començar a tenir una gran popularitat. No obstant això, el ben establert principi d'Huygens i els resultats dels experiments de doble raia de Young van deixar clar que la llum era ona i no un flux de partícules.

El patró d'interferència observat passant la llum a través de dues raies era definitivament el resultat de la naturalesa ondulatòria de la llum. Això tornà a generar la controvèrsia sobre la naturalesa de la llum. En 1704, Newton també havia proposat la naturalesa de partícula de la llum amb la seva teoria corpuscular.

Cap de les dues teories era prou adequada per explicar tots els fenòmens associats a la llum. Així, els científics van començar a concloure que la llum té una naturalesa tant ondulatòria com de partícula. El 1924, un físic francès, Louis de Broglie, va proposar una teoria. Va suggerir que totes les partícules de l'univers estan associades a una naturalesa ondulatòria, és a dir, tot al món, sigui un petit fotó o un elefant gegant, té associada una ona, és una qüestió diferent si la naturalesa ondulatòria és perceptible o no. Va assignar una longitud d'ona a cada matèria amb massa m i moment p com

On h és la constant de Planck i p = mv, v és la velocitat del cos.

Així, degut a la gran massa d'un elefant, aquest té un moment molt significatiu i, per tant, una longitud d'ona molt petita, que no podem notar. Tanmateix, partícules petites com els electrons, etc., tenen una massa molt petita i, per tant, una longitud d'ona o naturalesa ondulatòria molt perceptible. Aquesta teoria de de Broglie també ens ajuda a explicar l'existència discreta d'òrbites en el model atòmic de Bohr. Un electró existirà en una òrbita si la seva longitud és igual a un múltiple enter de la seva longitud d'ona natural, si no pot completar la seva longitud d'ona, aleshores aquesta òrbita no existirà.

Desenvolupaments posteriors de Davisson i Germer sobre la difracció d'electrons en un cristall i un patró d'interferència similar obtingut després de bombardejar una doble raia amb electrons van fortaleixer la teoria de l'ona de matèria de de Broglie o la dualitat ona-partícula.

Efecte Compton

En l'efecte fotoelèctric, la llum impacta en un metall en forma de raig de partícules anomenades fotons. L'energia d'un foton contribueix a la funció de treball d'un electró, així com proporciona l'energia cinètica a aquest electró emès. Aquests fotons són el comportament de partícula de l'ona de llum. Sir Albert Einstein va proposar que la llum és l'efecte col·lectiu d'un gran nombre de paquets d'energia anomenats fotons, on cada foton conté energia de hf. On h és la constant de Planck i f és la freqüència de la llum. Aquest és un comportament de partícula de l'ona de llum. El comportament de partícula de l'ona de llum o d'altres ones electromagnètiques es pot explicar mitjançant l'efecte Compton.

En aquest experiment, un raig de raigs X de freqüència fo i longitud d'ona λo va ser incident en un electró. Després d'impactar l'electró amb el raig X incident, es va trobar que l'electró i el raig X incident es dispersaven en dos angles diferents respecte a l'eix del raig X incident. Aquesta col·lisió obéix el principi de conservació d'energia, com la col·lisió de partícules newtonianes. Es va trobar que, després de la col·lisió, l'electró s'accelerava en una direcció específica i el raig X incident es difrangia en una altra direcció, i també es va observar que el raig difrat tenia una freqüència i longitud d'ona diferents al raig X incident. Com que l'energia del foton varia amb la freqüència, es pot concluir que el raig X incident perd energia durant les col·lisions i la freqüència del raig difrat és sempre menor que la del raig X incident. Aquesta energia perduda del foton de raig X contribueix a l'energia cinètica per al moviment de l'electró. Aquesta col·lisió de raig X o el seu foton i l'electró és semblant a la col·lisió de partícules newtonianes com les pilotes de bil·lard.

L'energia del foton es dóna per

Per tant, el moment del foton es pot demostrar com

Que es pot escriure com,

De l'equació (1) es pot concluir que una ona electromagnètica amb longitud d'ona λ tindrà un foton amb moment p.
De l'equació (2) es pot concluir que una partícula amb moment p està associada amb una longitud d'ona λ. Això significa que l'ona té característiques de partícula, i la partícula en moviment també exhibeix un comportament ondulatòri.

Com ja hem dit, aquesta conclusió va ser dibuixada primer per De Broglie i, per tant, això es coneix com a hipòtesi de De Broglie. Com la longitud d'ona de la partícula en moviment es expressa com

On p és el moment, h és la constant de Planck i la longitud d'ona λ es refereix com a longitud d'ona de De Broglie. De Broglie va explicar que, com els electrons orbiten al voltant del nucli, també tenen un comportament ondulatòri juntament amb les seves característiques de partícula.

Experiment de Davisson i Germer

La naturalesa ondulatòria de l'electró es pot provar i establir de moltes maneres diferents, però l'experiment més popular és el de Davisson i Germer l'any 1927. En aquest experiment van utilitzar un raig d'electrons accelerats que normalment impactaven en la superfície d'un bloc de níquel. Van observar el patró dels electrons dispersats després d'impactar en el bloc de níquel. Van utilitzar un monitor de densitat d'electrons per a aquest propòsit. Encara que es previa que l'electró s'hagués de dispersar després de la col·lisió en diferents angles respecte a l'eix del raig d'electrons incident, en l'experiment real es va trobar que la densitat dels electrons dispersats era més elevada en certs angles que en altres. Aquesta distribució angular dels electrons dispersats és molt similar a una interferència de la difracció de la llum. Per tant, aquest experiment mostra clarament l'existència de la dualitat ona-partícula dels electrons. El mateix principi es pot aplicar als protons i neutrons també.

Declaració: Respeteu l'original, articles bons mereixen ser compartits, si hi ha infracció contacteu per eliminar.