Αρχή της Διπλής Φύσης (Κύμα-Σωματίδιο)

Με την ανάπτυξη του φωτοηλεκτρικού εφέκτου, του εφέκτου Crompton και του μοντέλου άτομου Bohr, η ιδέα ότι το φως ή, γενικότερα, οι ακτινοβολίες, αποτελούνται από σωματίδια ή διακριτά Quanta, άρχισε να αποκτά ευρεία δημοφιλία.
Ωστόσο, το πολύ εγκαθεστώτικο Αρχή του Huygens και τα αποτελέσματα των πειραμάτων με δύο σχισμές του Young έδειξαν σαφώς ότι το φως ήταν κύμα και όχι ροή σωματιδίων.

Η εντυπωσιακή δομή αλληλεπιδράσεων που παρατηρήθηκε με την πέραση φωτός μέσω δύο σχισμών ήταν σίγουρα αποτέλεσμα της κυματικής φύσης του φωτός. Αυτό ξανά άνοιξε την συζήτηση για τη φύση του φωτός. Το 1704, ο Newton είχε επίσης προτείνει τη σωματιδιακή φύση του φωτός μέσω της θεωρίας του για τα corpuscularia.

Καμία από τις δύο θεωρίες δεν ήταν αρκετά επαρκής για να εξηγήσει όλα τα φαινόμενα που συνδέονται με το φως. Έτσι, οι επιστήμονες άρχισαν να συμπεραίνουν ότι το φως έχει και κυματική και σωματιδιακή φύση. Το 1924, ο Γάλλος φυσικός Louis de Broglie πρότεινε μια θεωρία. Πρότεινε ότι όλα τα σωματίδια στο σύμπαν έχουν κυματική φύση, δηλαδή, ό,τι στον κόσμο, από ένα μικρό φωτόνιο έως ένα τεράστιο ελέφαντα, έχει συνδεδεμένο κύμα, είναι διαφορετική η θέση ότι η κυματική φύση είναι παρατηρήσιμη ή όχι. Είχε ανατρέψει μια μήκος κύματος για κάθε ύλη με μάζα m και ορμή p ως

Όπου, h είναι η σταθερά Planck και p = mv, v είναι η ταχύτητα του σώματος.

Επομένως, λόγω της τεράστιας μάζας ενός ελέφαντα, έχει πολύ σημαντική ορμή και, επομένως, ένα πολύ μικρό μήκος κύματος, το οποίο δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε. Ωστόσο, μικρά σωματίδια, όπως οι ηλεκτρόνια, έχουν πολύ μικρή μάζα και, επομένως, πολύ παρατηρήσιμο μήκος κύματος ή κυματική φύση. Αυτή η θεωρία του de Broglie μας βοηθά επίσης να εξηγήσουμε τη διακριτή ύπαρξη των τροχιών στο μοντέλο άτομου του Bohr. Ένα ηλεκτρόνι θα υπάρχει σε μια τροχιά εάν το μήκος της είναι ίσο με ακέραιο πολλαπλάσιο του φυσικού μήκους κύματος, εάν δεν μπορεί να ολοκληρώσει το μήκος κύματός του, τότε αυτή η τροχιά δεν θα υπάρχει.

Περαιτέρω εξελίξεις από τους Davisson και Germer της διάχυσης ηλεκτρόνιων από ένα κρύσταλλο και ένα παρόμοιο προφίλ αλληλεπιδράσεων μετά την βομβαρδισμό δύο σχισμών με ηλεκτρόνια ενισχύσαν τη θεωρία του κυματικού-σωματιδιακού δυϊσμού του de Broglie.

Εφέκτος Compton

Στο φωτοηλεκτρικό εφέκτο, το φως χτυπάει σε ένα μέταλλο σε μορφή στρωτής σωματιδίων, που ονομάζονται φωτόνια. Η ενέργεια ενός φωτονίου συμβάλλει στην εργασιακή συνάρτηση ενός ηλεκτρονίου, καθώς και παρέχει την κινητική ενέργεια σε αυτό το εκτοξευμένο ηλεκτρόνιο. Αυτά τα φωτόνια είναι η σωματιδιακή συμπεριφορά του κυματικού φωτός. Ο Sir Albert Einstein πρότεινε ότι το φως είναι το συλλογικό αποτέλεσμα ενός τεράστιου αριθμού πακέτων ενέργειας, που ονομάζονται φωτόνια, όπου κάθε φωτόνιο περιέχει ενέργεια hf. Όπου h είναι η σταθερά Planck και f είναι η συχνότητα του φωτός. Αυτή είναι η σωματιδιακή συμπεριφορά του κυματικού φωτός. Η σωματιδιακή συμπεριφορά του κυματικού φωτός ή άλλων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μπορεί να εξηγηθεί μέσω του εφέκτου Compton.

Σε αυτό το πείραμα, ένας ακτινοβολίας x-ray με συχνότητα fo και μήκος κύματος λo χτυπούσε ένα ηλεκτρόνιο. Μετά την χτύπηση του ηλεκτρονίου από την εισερχόμενη x-ray, βρέθηκε ότι το ηλεκτρόνιο και η εισερχόμενη x-ray διασπαρέντος σε δύο διαφορετικά γωνίες ως προς τον άξονα της εισερχόμενης x-ray. Αυτός ο συγκρότημας υποτάσσεται στην αρχή της διατήρησης της ενέργειας, όπως και η σύγκρουση των σωματιδίων του Newton. Βρέθηκε ότι μετά την σύγκρουση, το ηλεκτρόνιο επιταχύνεται σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και η εισερχόμενη x-ray διασπαρέντος σε άλλη κατεύθυνση, και παρατηρήθηκε ότι η διασπαρέντος ακτινοβολίας έχει διαφορετική συχνότητα και μήκος κύματος από την εισερχόμενη x-ray. Καθώς η ενέργεια του φωτονίου μεταβάλλεται με τη συχνότητα, μπορεί να συμπεραχθεί ότι η εισερχόμενη x-ray χάνει ενέργεια κατά την σύγκρουση και η συχνότητα της διασπαρέντος ακτινοβολίας είναι πάντα μικρότερη από αυτή της εισερχόμενης x-ray. Αυτή η χαμένη ενέργεια του φωτονίου x-ray συμβάλλει στην κινητική ενέργεια του κίνησης του ηλεκτρονίου. Αυτή η σύγκρουση x-ray ή του φωτονίου και του ηλεκτρονίου είναι όπως η σύγκρουση σωματιδίων του Newton, όπως τα σφαιρίδια πινγκ-πονγκ.

Η ενέργεια του φωτονίου δίνεται από

Επομένως, η ορμή του φωτονίου μπορεί να αποδειχθεί ως

Το οποίο μπορεί να γραφτεί ως,

Από την εξίσωση (1) μπορεί να συμπεραχθεί ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα με μήκος κύματος λ θα έχει το φωτόνιο με ορμή p.
Από την εξίσωση (2) μπορεί να συμπεραχθεί ότι ένα σωματίδιο με ορμή p συνδέεται με μήκος κύματος λ. Αυτό σημαίνει ότι το κύμα έχει σωματιδιακές χαρακτηριστικές, το σωματίδιο σε κίνηση επίσης εκφράζει κυματική συμπερ