Principe de dualité onde-particule

Avec le développement de l'effet photoélectrique, de l'effet Crompton et du modèle atomique de Bohr, l'idée que la lumière ou, en fait, les radiations en général, sont composées de particules ou de quanta discrets, gagnait une grande popularité.
Cependant, le très établi principe d'Huygens et les résultats des expériences de Young avec deux fentes ont clairement montré que la lumière était une onde et non un flux de particules.

Le motif d'interférence frappant observé en faisant passer la lumière à travers deux fentes était certainement le résultat de la nature ondulatoire de la lumière. Cela a à nouveau suscité la controverse sur la nature de la lumière. En 1704, Newton avait également suggéré la nature corpusculaire de la lumière par sa théorie corpusculaire.

Aucune des deux théories n'était suffisamment adéquate pour expliquer tous les phénomènes associés à la lumière. Ainsi, les scientifiques ont commencé à conclure que la lumière a à la fois une nature ondulatoire et corpusculaire. En 1924, un physicien français, Louis de Broglie, a proposé une théorie. Il a suggéré que toutes les particules dans cet univers sont également associées à une nature ondulatoire, c'est-à-dire que tout dans ce monde, qu'il s'agisse d'un petit photon ou d'un éléphant géant, a une onde associée, il est différent que la nature ondulatoire soit perceptible ou non. Il a attribué une longueur d'onde à chaque matière de masse m et de quantité de mouvement p comme

Où h est la constante de Planck et p = mv, v est la vitesse du corps.

Ainsi, en raison de la masse importante d'un éléphant, il a une quantité de mouvement très significative et donc une longueur d'onde très petite, que nous ne pouvons pas remarquer. Cependant, de petites particules telles que les électrons, etc., ont une masse très faible et donc une longueur d'onde ou une nature ondulatoire très perceptible. Cette théorie de de Broglie nous aide également à expliquer l'existence discrète des orbites dans le modèle atomique de Bohr. Un électron existera dans une orbite si sa longueur est égale à un multiple entier de sa longueur d'onde naturelle, s'il ne peut pas compléter sa longueur d'onde, alors cette orbite n'existera pas.

Les développements ultérieurs de Davisson et Germer sur la diffraction des électrons par un cristal et un motif d'interférence similaire obtenu après avoir bombardé une double fente avec des électrons ont renforcé la théorie des ondes de matière de de Broglie ou la théorie de la dualité onde-particule.

Effet Compton

Dans l'effet photoélectrique, la lumière frappe un métal sous forme de faisceau de particules appelées photons. L'énergie d'un photon contribue à la fonction de travail d'un électron ainsi qu'à fournir l'énergie cinétique à cet électron émis. Ces photons représentent le comportement corpusculaire de l'onde lumineuse. Sir Albert Einstein a proposé que la lumière est l'effet collectif d'un grand nombre de paquets d'énergie appelés photons, où chaque photon contient une énergie de hf. Où h est la constante de Planck et f est la fréquence de la lumière. Ceci est un comportement corpusculaire de l'onde lumineuse. Le comportement corpusculaire de l'onde lumineuse ou d'autres ondes électromagnétiques peut être expliqué par l'effet Compton.

Dans cette expérience, un faisceau de rayons X de fréquence fo et de longueur d'onde λo était incident sur un électron. Après avoir frappé l'électron par le rayon X incident, il a été constaté que l'électron et le rayon X incident étaient dispersés à deux angles différents par rapport à l'axe du rayon X incident. Cette collision obéit au principe de conservation de l'énergie, tout comme la collision de particules newtoniennes. Il a été constaté qu'après la collision, l'électron est accéléré dans une direction particulière et le rayon X incident est diffracté dans une autre direction, et il a également été observé que le rayon diffracté a une fréquence et une longueur d'onde différentes de celles du rayon X incident. Comme l'énergie du photon varie avec la fréquence, on peut conclure que le rayon X incident perd de l'énergie lors des collisions et que la fréquence du rayon diffracté est toujours inférieure à celle du rayon X incident. Cette énergie perdue du photon de rayon X contribue à l'énergie cinétique du mouvement de l'électron. Cette collision de rayon X ou de son photon et d'électron est comparable à celle de particules newtoniennes telles que des billes de billard.

L'énergie du photon est donnée par

Par conséquent, la quantité de mouvement du photon peut être prouvée comme

Ce qui peut s'écrire comme,

À partir de l'équation (1), on peut conclure qu'une onde électromagnétique de longueur d'onde λ aura un photon de quantité de mouvement p.
À partir de l'équation (2), on peut conclure qu'une particule de quantité de mouvement p est associée à une longueur d'onde λ. Cela signifie que l'onde a des caractéristiques corpusculaires, la particule en mouvement montre également un comportement ondulatoire.

Comme nous l'avons déjà dit, cette conclusion a été tirée pour la première fois par De Broglie, d'où elle est connue sous le nom d'hypothèse de De Broglie. La longueur d'onde de la particule en mouvement est exprimée comme

Où p est la quantité de mouvement, h est la constante de Planck et la longueur d'onde λ est appelée longueur d'onde de De Broglie. De Broglie a expliqué que lorsque les électrons orbitent autour du noyau, ils auront également un comportement ondulatoire en plus de leurs caractéristiques corpusculaires.

Expérience de Davisson et Germer

La nature ondulatoire de l'électron peut être prouvée et établie de nombreuses manières différentes, mais l'expérience la plus populaire est celle de Davisson et Germer en 1927. Dans cette expérience, ils ont utilisé un faisceau d'électrons accélérés qui frappaient normalement la surface d'un bloc de nickel. Ils ont observé le motif des électrons dispersés après avoir frappé le bloc de nickel. Ils ont utilisé un moniteur de densité d'électrons à cet effet. Bien qu'il ait été prévu que l'électron devrait être dispersé après la collision à différents angles par rapport à l'axe du faisceau d'électrons incident, dans l'expérience réelle, il a été constaté que la densité des électrons dispersés était plus importante à certains angles qu'à d'autres. Cette distribution angulaire des électrons dispersés est très similaire à une interférence de la diffraction de la lumière. Par conséquent, cette expérience montre clairement l'existence de la dualité onde-particule des électrons. Le même principe peut s'appliquer aux protons et aux neutrons.

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