Aaltohiukkassuola periaate

Valokvanttien kehityksen Valokvantit, Cromptonin vaikutus ja Bohrin atomimalli, valo tai yleisemmin säteily koostuu hiukkasiohja diskreettisistä Kvanteissa oli saavuttamassa laajaa suosiota.
Kuitenkin Huygenin periaate ja Youngin kaksireikäiskokeen tulokset osoittivat selkeästi, että valo oli aalto eikä hiukkassijoukko.

Todettu interferenssi kaavio, joka syntyi valon läpäisemisen jälkeen kaksireikäisessä, oli aivan varmasti valon aallonluonteen seurausta. Tämä johti uuteen kiistatteluun valon luonteesta. Vuonna 1704 Newton ehdotti myös valon hiukkasluontoa corpusculaarinen teorian kautta.

Kumpikaan kahdesta teoriasta ei ollut tarpeeksi selittää kaikkia valoon liittyviä ilmiöitä. Tällöin tieteilijät alkoivat päätellä, että valolla on sekä aallon että hiukkasluonteen ominaisuudet. Vuonna 1924 ranskalainen fyysikko Louis de Broglie esitti teorian. Hän ehdotti, että kaikilla tämän maailman hiukkasilla on aallonluonteen ominaisuus, eli kaikilla tässä maailmassa, olipa kyse pienestä fotonista tai jättimäisestä elefantista, kaikilla on mukanaan aalto, vaikka aallonluonteen huomattavuus vaihtelee. Hän määritteli aallonpituuden jokaiselle massalla m ja liikemäärällä p seuraavasti

Missä h on Planckin vakio ja p = mv, v on kappaleen nopeus.

Joten elefantin suuren massan vuoksi sillä on hyvin merkittävä liikemäärä ja siksi hyvin pieni aallonpituus, jota emme huomaa. Kuitenkin pienillä hiukkasilla, kuten elektronilla, on hyvin pieni massa ja siten hyvin huomattava aallonpituus tai aallonluonteen ominaisuus. De Broglien teoria auttaa meitä myös selittämään Bohrin atomin mallissa esiintyvien kiertoratojen diskreettiä olemassaoloa. Elektroni on olemassa kiertoradalla, jos sen pituus on kokonaislukukertaisesti sen luonnollisen aallonpituuden. Jos se ei voi suorittaa aallonpituutta, kyseinen kiertorata ei ole olemassa.

Davissonin ja Germerin sähkönen diffraktio kriystalista ja samankaltainen interferenssi kaavio, joka saatiin kaksireikäiseen pommitettua elektronien avulla, vahvistivat de Broglien aalto-hiukkasteoriaa tai aalto-hiukkasdualiteetti -teoriaa.

Comptonin vaikutus

Valokuvauksessa valo osuu metalliin fotonien muodossa. Yhden fotonin energia antaa työfunktion energian yhden elektronille sekä tarjoaa kinettisen energian tuotulle elektronille. Nämä fotoniut ovat valoaallon hiukkasominaisuudet. Sir Albert Einstein ehdotti, että valo on suuren määrän energiapaketteja, kutsutaan fotoniksi, missä kukin foton sisältää hf:n energian. Missä h on Planckin vakio ja f on valon taajuus. Tämä on valoaallon hiukkasominaisuus. Valoaallon tai muun sähkömagneettisen aallon hiukkasominaisuus voidaan selittää Comptonin vaikutuksen kautta.

Tässä kokeessa, yksi X-säteiden säde taajuudella fo ja aallonpituudella λo osui elektroniin. Osuessaan elektronille X-säteiden ja elektronin välille havaittiin, että ne heijastuivat eri kulmilla suhteen tapahtuman akselia. Tämä törmäys noudatti energian säilymisperiaatetta samaan tapaan kuin Newtonin hiukkasten törmäys. Havaittiin, että törmäyksen jälkeen elektroni kiihdytti tietyssä suunnassa ja X-säteet heijastuivat toiseen suuntaan, ja havaittiin, että heijastuneen säteen taajuus ja aallonpituus poikkesivat tulevan säteen taajuudesta ja aallonpituudesta. Koska fotonin energia vaihtelee taajuuden mukaan, voidaan päätellä, että tuleva X-säteiden foton menetti osan energiastaan törmäyksessä ja heijastuneen säteen taajuus on aina pienempi kuin tulevan säteen taajuus. Tämä menetetty X-säteiden fotonin energia lisää elektronin liikkeen kinettistä energiaa. Tämä X-säteiden tai niiden fotonien ja elektronin törmäys on sama kuin Newtonin hiukkasten, kuten biljardin pallojen.

Fotonin energia annetaan seuraavasti

Siksi fotonin liikemäärä voidaan todistaa seuraavasti

Mikä voidaan kirjoittaa seuraavasti,

Yhtälöstä (1) voidaan päätellä, että sähkömagneettinen aalto, jolla on aallonpituus λ, sisältää fotonin, jolla on liikemäärä p.
Yhtälöstä (2) voidaan päätellä, että hiukkanen, jolla on liikemäärä p, on yhdistetty aallonpituuteen λ. Tämä tarkoittaa, että aalloilla on hiukkasominaisuuksia, ja hiukkaset liikkuessaan myös ilmaisevat aallonomainen käyttäytyminen.

Kuten olemme jo sanoneet, tämä päätelmä tehtiin ensimmäisenä De Broglien toimesta, ja siksi tätä kutsutaan De Broglien hypoteesiksi. Koska liikkuvan hiukkasen aallonpituus ilmaistaan seuraavasti

Missä p on liikemäärä, h on Planckin vakio ja aallonpituus λ viitataan De Broglien aallonpituuteen. De Broglie selitti, että kun elektronit kiertävät ydinpyöreää, niillä on myös aallonomainen käyttäytyminen yhdessä hiukkasominaisuuksien kanssa.

Davissonin ja Germerin koe

Elektronin aallonluonto voidaan todistaa ja vahvistaa monin eri tavoin, mutta suosittuin koe on Davissonin ja Germerin koe vuonna 1927. Tässä kokeessa he käyttivät kiihdytetyn elektronien säteen, joka normaalisti osui nikkeliplokseen. He tarkkailivat elektronien heijastumiskuvioita nikkeliplokseen osuessa. He käyttivät elektronitiheyden monitorointia tähän tarkoitukseen. Vaikka odotettiinkin, että elektronit heijastuisivat törmäyksen jälkeen eri kulmilla suhteen tulevan elektronien säteen akselia, itse kokeessa havaittiin, että heijastuneiden elektronien tiheys oli korkeampi tietyissä kulmissa kuin muualla. Tämä kulmakulmien heijastuminen on hyvin samankaltainen kuin valon diffraktion interferenssi. Siksi tämä koe osoittaa selvästi elektronien aalto-hiukkasdualiteetin olemassaolon. Sama periaate voidaan soveltaa myös protoniin ja neutroniin.

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jaettava, jos on tekijänoikeusloukkausta, ole yhteydessä poistamaan.