اصل دوگانگی موج و ذره

با پیشرفت اثر فوتوالکتریک، اثر کرومتون و مدل اتم بور، ایده‌ای که نور یا به طور کلی تابش‌ها از ذرات یا کوانتوم‌های مجزا تشکیل شده‌اند، محبوبیت زیادی پیدا کرد.
با این حال، اصل هایگنز و نتایج آزمایش‌های دو شکاف یانگ به وضوح نشان دادند که نور امواج است و جریانی از ذرات نیست.

الگوی تداخل قابل توجهی که با عبور نور از دو شکاف مشاهده شد، حتماً نتیجه طبیعت موجی نور بود. این موضوع مجدداً به اختلاف درباره طبیعت نور منجر شد. در سال ۱۷۰۴ نیوتن نیز با نظریه ذره‌ای خود پیشنهاد کرد که نور از ذرات تشکیل شده است.

هیچ‌کدام از دو نظریه قادر به توضیح تمامی پدیده‌های مرتبط با نور نبودند. بنابراین دانشمندان شروع به نتیجه‌گیری کردند که نور هم طبیعت موجی و هم طبیعت ذره‌ای دارد. در سال ۱۹۲۴، یک فیزیکدان فرانسوی به نام لویی د بروگلی یک نظریه ارائه داد. او پیشنهاد کرد که همه ذرات در این کیهان با طبیعت موجی همراه هستند، یعنی هر چیز در این دنیا، از یک فوتون کوچک گرفته تا یک فیل بزرگ، همه یک موج مربوط به خود دارند، حتی اگر طبیعت موجی آنها قابل مشاهده نباشد. او یک طول موج به هر ماده با جرم m و حرکت p نسبت داد:

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

بنابراین به دلیل جرم بسیار زیاد یک فیل، حرکت بسیار قابل توجهی دارد و بنابراین یک طول موج بسیار کوچک دارد که ما نمی‌توانیم آن را ببینیم. 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 د بروگلی همچنین به ما کمک می‌کند تا وجود گسسته‌ای از مدارها 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.

پیشرفت‌های بعدی دیویسون و گرمر در مورد تشعشع الکترون از یک بلور و الگوی تداخل مشابهی که پس از برخورد الکترون‌ها با یک دو شکاف به دست آمد، نظریه موج ذره‌ای د بروگلی یا نظریه دوگانگی موج-ذره را تقویت کرد.

اثر کامپتون

در اثر فوتوالکتریک، نور به صورت پرتوی ذراتی به نام فوتون‌ها بر روی یک فلز ضربه می‌زند. انرژی یک فوتون به انرژی کاری یک الکترون می‌افزاید و همچنین انرژی جنبشی به الکترون منتقل شده می‌دهد. این فوتون‌ها رفتار ذره‌ای نور را نشان می‌دهند. آلبرت اینشتین پیشنهاد کرد که نور اثر جمعی تعداد زیادی بسته‌های انرژی به نام فوتون است که هر فوتون شامل انرژی hf است. که h ثابت پلانک و f فرکانس نور است. این یک رفتار ذره‌ای نور است. رفتار ذره‌ای نور یا سایر امواج الکترومغناطیسی می‌تواند با اثر کامپتون توضیح داده شود.

در این آزمایش، یک پرتو ایکس با فرکانس f_o و طول موج λ_o بر روی یک الکترون ضربه زد. پس از ضربه زدن پرتو ایکس به الکترون، مشاهده شد که الکترون و پرتو ایکس به دو زاویه مختلف نسبت به محور پرتو ایکس پراکنده شده‌اند. این برخورد مطابق با اصل بقای انرژی مانند برخورد ذرات نیوتنی عمل می‌کند. مشاهده شد که پس از برخورد، الکترون در یک جهت خاص شتاب می‌گیرد و پرتو ایکس در جهت دیگری پراکنده می‌شود و همچنین مشاهده شد که پرتو پراکنده فرکانس و طول موج متفاوتی نسبت به پرتو ایکس ورودی دارد. چون انرژی فوتون با فرکانس تغییر می‌کند، می‌توان نتیجه گرفت که پرتو ایکس 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 ایکس به انرژی جنبشی الکترون می‌افزاید. این برخورد فوتون ایکس یا الکترون مانند برخورد ذرات نیوتنی مانند توپ‌های بیلبورد است.

انرژی فوتون به صورت زیر داده می‌شود:

بنابراین می‌توان حرکت فوتون را به صورت زیر اثبات کرد:

که می‌توان آن را به صورت زیر نوشت:

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

همانطور که قبلاً گفته شد، این نتیجه ابتدا توسط د بروگلی بدست آمد و بنابراین به فرضیه د بروگلی معروف است. چون طول موج ذره در حال حرکت به صورت زیر بیان می‌شود:

که در آن p حرکت است، h ثابت پلانک است و طول موج λ به عنوان طول موج د بروگلی شناخته می‌شود. د بروگلی توضیح داد که چون الکترون‌ها حول هسته می‌چرخند، همچنین رفتار موجی همراه با خصوصیات ذره‌ای خود دارند.

آزمایش دیویسون و گرمر

طبیعت موجی الکترون می‌تواند به چندین روش مختلف اثبات و تأیید شود اما محبوب‌ترین آزمایش آزمایش دیویسون و گرمر در سال ۱۹۲۷ است. در این آزمایش آنها از یک پرتو الکترون تساریع یافته استفاده کردند که به طور معمول بر روی سطح یک بلوک نیکل ضربه می‌زد. آنها الگوی الکترون‌های پراکنده پس از ضربه زدن به بلوک نیکل را مشاهده کردند. آنها برای این منظور از یک مانیتور چگالی الکترون 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 مشابه با تداخل نور است. بنابراین این آزمایش به وضوح وجود دوگانگی موج-ذره الکترون‌ها را نشان می‌دهد. همین اصل می‌تواند به پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز اعمال شود.

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