پرینسیپ دوگانگی موج و ذره

با تکامل اثر فوتوئلكترونی، اثر کرومپتون و مدل اتم بور، مفهوم نور یا در واقع پرتوها به طور کلی، تشکیل شده از ذرات یا کوانتا گسسته محبوبیت زیادی پیدا کرد.
با این حال، اصل هایون و نتایج آزمایش دو شکاف یانگ به وضوح نشان داد که نور امواج است و نه جریانی از ذرات.

الگوی تداخل مشاهده شده با عبور نور از دو شکاف قطعاً نتیجه طبیعت موجی نور بود. این موضوع دوباره منجر به اختلاف در مورد طبیعت نور شد. در سال ۱۷۰۴ نیوتن نیز با نظریه ذره‌ای خود (نظریه کروپوسکولار) طبیعت ذره‌ای نور را پیشنهاد کرده بود.

هیچ‌یک از دو نظریه برای توضیح همه پدیده‌های مرتبط با نور کافی نبودند. بنابراین دانشمندان شروع کردند به این نتیجه‌گیری که نور هم طبیعت موجی و هم طبیعت ذره‌ای دارد. در سال ۱۹۲۴، یک فیزیکدان فرانسوی به نام لویی دو برولی یک نظریه پیشنهاد کرد. او پیشنهاد کرد که تمام ذرات در این کیهان با طبیعت موجی همراه هستند، یعنی هر چیزی در این دنیا، چه یک فوتون کوچک یا یک فیل بزرگ، همه یک موج مربوط به خود دارند، فقط مسئله این است که طبیعت موجی قابل مشاهده است یا نه. او یک طول موج به هر ماده با جرم m و اندازه حرکت p اختصاص داد

که در آن h ثابت پلانک و p = mv است و v سرعت جسم است.

بنابراین به دلیل جرم بسیار زیاد یک فیل، اندازه حرکت بسیار قابل توجهی دارد و بنابراین طول موج بسیار کوچکی دارد که ما قادر به مشاهده آن نیستیم. با این حال ذرات کوچک مانند الکترون‌ها و غیره جرم بسیار کوچکی دارند و بنابراین طول موج یا طبیعت موجی بسیار قابل توجهی دارند. این نظریه دو برولی همچنین به ما کمک می‌کند تا وجود گسسته مقادیر مدار در مدل اتم بور را توضیح دهیم. یک الکترون در یک مدار وجود خواهد داشت اگر طول آن برابر با مضرب صحیح طول موج طبیعی آن باشد، اگر نتواند طول موج خود را کامل کند آن مدار وجود نخواهد داشت.

توسعه‌های بیشتر توسط دیویسون و گرمر از پراکندگی الکترون از یک بلور و یک الگوی تداخل مشابه بعد از بمب‌گذاری یک شکاف دوگانه با الکترون‌ها نظریه موج ذره‌ای دو برولی یا دوگانگی موج-ذره را تقویت کرد.

اثر کامپتون

در اثر فوتوئلكترونی، نور به صورت پرتوی ذراتی به نام فوتون‌ها بر روی یک فلز ضربه می‌زند. انرژی یک فوتون به انرژی تابع کار یک الکترون و همچنین انرژی جنبشی به آن الکترون منتقل می‌شود. این فوتون‌ها رفتار ذره‌ای نور هستند. سر آلبرت اینشتین پیشنهاد کرد که نور تأثیر جمعی تعداد زیادی بسته انرژی به نام فوتون است که هر فوتون شامل انرژی hf است. که h ثابت پلانک و f فرکانس نور است. این رفتار ذره‌ای نور است. رفتار ذره‌ای نور یا موج‌های الکترومغناطیسی دیگر می‌تواند با اثر کامپتون توضیح داده شود.

در این آزمایش، یک پرتو ایکس با فرکانس fo و طول موج λo بر روی یک الکترون ضربه می‌زند. پس از ضربه زدن الکترون با پرتو ایکس ورودی مشاهده شد که الکترون و پرتو ایکس ورودی هر دو در دو زاویه مختلف نسبت به محور پرتو ایکس ورودی پراکنده شده‌اند. این برخورد اصول حفظ انرژی را مانند برخورد ذرات نیوتنی رعایت می‌کند. مشاهده شد که پس از برخورد الکترون در یک جهت خاص شتاب می‌گیرد و پرتو ایکس ورودی در جهت دیگری پراکنده می‌شود و همچنین مشاهده شد که پرتو پراکنده دارای فرکانس و طول موج متفاوتی نسبت به پرتو ایکس ورودی است. چون انرژی فوتون با فرکانس متغیر است می‌توان نتیجه گرفت که پرتو ایکس ورودی در طول برخورد انرژی از دست می‌دهد و فرکانس پرتو پراکنده همیشه کمتر از فرکانس پرتو ایکس ورودی است. این انرژی از دست رفته فوتون پرتو ایکس به انرژی جنبشی برای حرکت الکترون می‌افزاید. این برخورد پرتو ایکس یا فوتون‌های آن و الکترون مانند برخورد ذرات نیوتنی مانند توپ‌های بیلیارد است.

انرژی فوتون با معادله زیر تعیین می‌شود

بنابراین اندازه حرکت فوتون می‌تواند به صورت زیر اثبات شود

که می‌تواند به صورت زیر نوشته شود

از معادله (1) می‌توان نتیجه گرفت که یک موج الکترومغناطیسی با طول موج λ دارای فوتون با اندازه حرکت p است.
از معادله (2) می‌توان نتیجه گرفت که یک ذره با اندازه حرکت p با طول موج λ همراه است. یعنی موج دارای ویژگی‌های ذره‌ای است، ذره در حرکت نیز رفتار موجی نشان می‌دهد.

همانطور که قبلاً گفته شد، این نتیجه ابتدا توسط دو برولی استخراج شد و بنابراین این به عنوان فرضیه دو برولی شناخته می‌شود. چون طول موج ذره متحرک به صورت زیر بیان می‌شود

که در آن p اندازه حرکت و h ثابت پلانک و طول موج λ به عنوان طول موج دو برولی شناخته می‌شود. دو برولی توضیح داد که وقتی الکترون‌ها حول هسته می‌چرخند، همچنین رفتار موجی نیز دارند به همراه ویژگی‌های ذره‌ای خود.

آزمایش دیویسون و گرمر

طبیعت موجی الکترون می‌تواند به چندین روش مختلف اثبات و تثبیت شود اما آزمایش مشهور دیویسون و گرمر در سال ۱۹۲۷ است. در این آزمایش آنها از یک پرتو الکترونی که معمولاً بر روی سطح یک بلوک نیکل ضربه می‌زند استفاده کردند. آنها الگوی الکترون‌های پراکنده پس از ضربه زدن به بلوک نیکل را مشاهده کردند. آنها از یک مانیتور چگالی الکترون برای این منظور استفاده کردند. اگرچه انتظار می‌رفت که الکترون‌ها پس از برخورد در زوایای مختلف نسبت به محور پرتو الکترون ورودی پراکنده شوند اما در آزمایش واقعی مشاهده شد که چگالی الکترون‌های پراکنده در زوایای خاصی بیشتر از سایر زوایا بود. این توزیع زاویه‌ای الکترون‌های پراکنده بسیار شبیه تداخل نور است. بنابراین این آزمایش به وضوح وجود دوگانگی موج-ذره الکترون‌ها را نشان می‌دهد. همان اصل می‌تواند به پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز اعمال شود.

بیانیه: احترام به اصلی، مقالات خوبی که ارزش به اشتراک گذاری دارند، در صورت نقض حق تکثیر لطفاً تماس بگیرید تا حذف شود.