Bølge-Partikel Dualitetsprincip

Med udviklingen af fotoelektrisk effekt, Cromptons effekt og Bohrs atommodel, blev ideen om, at lys eller i virkeligheden stråling generelt, består af partikler eller diskrete Kvanta, stadig mere populær. Dog gjorde den velkendte Huygens princip og resultaterne fra Youngs dobbeltslitseksperiment det klart, at lys var en bølge og ikke en strøm af partikler.

Den markante interferensmønster, der blev observeret ved at sende lys gennem dobbeltslit, var definitivt et resultat af lysets bølgende natur. Dette gav igen anledning til kontroversen om naturen af lys. I 1704 havde Newton også foreslået partikel-naturen af lys ved sin korpuskulærteori.

Ingen af de to teorier var tilstrækkelige til at forklare alle fænomener forbundet med lys. Derfor begyndte videnskabsfolk at konkludere, at lys har både bølge- og partikel-natur. I 1924 kom en fransk fysiker, Louis de Broglie, med en teori. Han foreslog, at alle partikler i universet også er forbundet med en bølge-natur, dvs. alt i denne verden, uanset om det er et lille foton eller et stort elefant, har en forbundet bølge, det er en anden sag, om bølgen kan bemærkes eller ej. Han tildelte en bølgelængde til hvert materiale med masse m og impuls p som

Hvor h er Plancks konstant, og p = mv, v er legemets hastighed.

På grund af den store masse af et elefant, har det en meget betydelig impuls og dermed en meget lille bølgelængde, som vi ikke kan bemærke. Små partikler som elektroner osv. har dog en meget lille masse og dermed en meget bemærkelsesværdig bølgelængde eller bølge-natur. Denne teori af de Broglie hjælper os også med at forklare den diskrete eksistens af baner i Bohrs atommodel. Et elektron vil findes i en bane, hvis dens længde er lig med et heltalligt multiplum af dets naturlige bølgelængde, hvis det ikke kan fuldføre sin bølgelængde, så vil den bane ikke eksistere.

Yderligere udviklinger af Davisson og Germer af elektron-diffraction fra et krystal og en lignende interferensmønster, der blev opnået efter at bombe en dobbeltslit med elektroner, havde styrket de Broglies materie-bølgeteori eller bølge-partikel dualitet teori.

Compton Effekt

I fotoelektriske effekter rammer lyset en metal som en stråle af partikler kaldet fotoner. Energi fra ét foton bidrager til arbejdsfunktionen for et elektron samt giver det kinetisk energi til det udsendte elektron. Disse fotoner er partikelagtige egenskaber hos lysbølger. Sir Albert Einstein foreslog, at lys er kollektiv effekt af et stort antal energipakker kaldet fotoner, hvor hvert foton indeholder energi på hf. Hvor h er Plancks konstant, og f er lysets frekvens. Dette er en partikelagtig adfærd hos lysbølger. Partikelagtig adfærd hos lysbølger eller andre elektromagnetiske bølger kan forklares ved Compton effekt.

I dette eksperiment blev en røntgenstråle med frekvens fo og bølgelængde λo rettet mod et elektron. Efter at det incidente røntgenlys havde ramt elektronet, blev det konstateret, at både elektronet og det incidente røntgenlys blev spredt i to forskellige vinkler i forhold til akset for det incidente røntgenlys. Dette kollision overholder energibevarelsesprincippet ligesom kollision mellem Newtonske partikler. Det blev fundet, at efter kollisionen blev elektronet accelereret i en bestemt retning, og det incidente røntgenlys blev diffraktet i en anden retning, og det blev også observeret, at den diffrakte stråle havde en anden frekvens og bølgelængde end det incidente røntgenlys. Da energien i et foton varierer med frekvens, kan det konkluderes, at det incidente røntgenlys taber energi under kollisioner, og frekvensen af den diffrakte stråle er altid mindre end den incidente røntgenlys. Denne tabte energi fra røntgenfotonen bidrager til kinetisk energi for elektronets bevægelse. Denne kollision mellem røntgenlys eller dets fotoner og elektron er ligesom kollision mellem Newtonske partikler som bilardkugler.

Energi af fotonet er givet ved

Derfor kan impulsen af fotonet bevises som

Dette kan skrives som,

Fra ligning (1) kan det konkluderes, at en elektromagnetisk bølge med bølgelængde λ vil have et foton med impuls p. Fra ligning (2) kan det konkluderes, at et partikel med impuls p er forbundet med bølgelængde λ. Dette betyder, at en bølge har partikelagtige egenskaber, og partiklen på bevægelse viser også bølgeagtigt adfærd.

Som vi allerede har sagt, blev denne konklusion først trukket af De Broglie, og derfor kendes dette som De Broglies hypotese. Som bølgelængden af det bevægende partikel er udtrykt som

Hvor p er impulsen, h er Plancks konstant, og bølgelængden λ refererer til som De Broglies bølgelængde. De Broglie forklarede, at da elektroner kredser omkring kernen, vil de også have bølgeagtigt adfærd sammen med deres partikelagtige egenskaber.

Davisson og Germers Eksperiment

Elektronets bølgeagtige natur kan bevises og etableres på mange forskellige måder, men det mest populære eksperiment er Davisson og Germers eksperiment i 1927. I dette eksperiment brugte de en stråle af accelererede elektroner, som normalt ramte overfladen af en nikkelblok. De observerede mønsteret af de spredte elektroner efter at de havde ramt nikkelblokken. De brugte en elektron-tæthedsovervågning til dette formål. Selvom det var forventet, at elektronerne skulle blive spredt efter kollision i forskellige vinkler i forhold til aksen for den incidente elektronstråle, blev det i det faktiske eksperiment fundet, at tætheden af de spredte elektroner var større ved bestemte vinkler end andre. Denne vinkelafhængige fordeling af de spredte elektroner er meget lignende en interferens af lysdiffraction. Dette eksperiment viser tydeligt eksistensen af bølge-partikel dualitet af elektroner. Samme princip kan anvendes på protoner og neutroner også.

Erklæring: Respekter det originale, godt artikler fortjener at deles, hvis der er overtrædelse kontakt og slet.