Principio da dualidade onda-partícula

Co o desenvolvemento do efecto fotoeléctrico, o efecto de Crompton e o modelo atómico de Bohr, a idea de que a luz, ou en xeral as radiacións, están compostas por partículas ou Quanta discretos, gañou gran popularidade.
Non obstante, o ben establecido principio de Huygens e os resultados dos experimentos de dúas fendas de Young deixaron moi claro que a luz era unha onda e non un fluxo de partículas.

O patrón de interferencia observado ao pasar a luz a través de dúas fendas foi definitivamente un resultado da natureza ondulatoria da luz. Isto de novo deu lugar á controversia sobre a natureza da luz. En 1704 Newton tamén había proposto a natureza corpuscular da luz coa súa teoría corpuscular.

Ningunha das dúas teorías era suficientemente adequada para explicar todos os fenómenos asociados coa luz. Así, os científicos comezaron a concluir que a luz ten tanto natureza ondulatoria como corpuscular. En 1924, o físico francés Louis de Broglie propuxo unha teoría. Suxeriu que todas as partículas no universo están asociadas tamén cunha natureza ondulatoria, é dicir, todo no mundo, se é un pequeno fóton ou un elefante xigante, todo ten unha onda asociada a si mesmo, é unha cuestión diferente que a natureza ondulatoria sexa perceptible ou non. El asignou unha lonxitude de onda a cada materia con masa m e momento p como

Onde, h é a constante de Planck e p = mv, v é a velocidade do corpo.

Así, debido á enorme masa dun elefante, ten un momento moi significativo e, polo tanto, unha lonxitude de onda moi pequena, que non somos capaces de notar. No entanto, partículas pequenas como os electróns, etc., teñen unha masa moi pequena e, polo tanto, unha lonxitude de onda ou natureza ondulatoria moi perceptible. Esta teoría de de Broglie tamén nos axuda a explicar a existencia discreta de órbitas no modelo atómico de Bohr. Un electrón existirá nunha órbita se a súa lonxitude é igual a múltiplos integrais da súa lonxitude de onda natural, se non é capaz de completar a súa lonxitude de onda, esa órbita non existirá.

Os desenvolvementos posteriores de Davisson e Germer na difracción de electróns dun cristal e un patrón de interferencia similar obtido despois de bombardear dúas fendas con electróns fortaleceron a teoría da onda de materia de de Broglie ou a teoría da dualidade onda-partícula.

Efecto Compton

No efecto fotoeléctrico, a luz incide nun metal na forma dun feixe de partículas chamadas fótons. A enerxía dun fóton contribúe á función de traballo dun electrón, así como proporciona a enerxía cinética a ese electrón emitido. Estes fótons son o comportamento semellante a partículas da onda de luz. Sir Albert Einstein propuxo que a luz é o efecto colectivo dun gran número de paquetes de enerxía chamados fótons, onde cada fóton contén enerxía de hf. Onde h é a constante de Planck e f é a frecuencia da luz. Este é un comportamento semellante a partículas da onda de luz. O comportamento semellante a partículas da onda de luz ou outras ondas electromagnéticas pode explicarse polo efecto Compton.

Neste experimento, un raio X de frecuencia fo e lonxitude de onda λo foi incidente nun electrón. Despois de colisionar co electrón, descubriuse que o electrón e o raio X incidente estaban dispersos a dous ángulos diferentes respecto ao eixo do raio X incidente. Esta colisión obedece o principio de conservación de enerxía, como a colisión de partículas newtonianas. Descubriuse que, despois da colisión, o electrón se aceleraba nunha dirección específica e o raio X incidente se difractaba noutra dirección, e tamén se observou que o raio difractado ten unha frecuencia e lonxitude de onda diferentes ao do raio X incidente. Como a enerxía do fóton varía coa frecuencia, pódese concluir que o raio X incidente perde enerxía durante as colisións e a frecuencia do raio difractado é sempre menor que a do raio X incidente. Esta enerxía perdida do fóton de raio X contribúe á enerxía cinética para o movemento do electrón. Esta colisión de raio X ou seu fóton e electrón é semellante ás partículas newtonianas, como as bolas de bilhar.

A enerxía do fóton dáse por

Polo tanto, o momento do fóton pode probarse como

Que pode escribirse como,

A partir da ecuación (1) pódese concluir que unha onda electromagnética cunha lonxitude de onda λ terá un fóton cun momento p.
A partir da ecuación (2) pódese concluir que unha partícula cun momento p está asociada cunha lonxitude de onda λ. Iso significa que a onda ten características semellantes a partículas, a partícula en movemento tamén exhibe un comportamento ondulatorio.

Como xa dissemos, esta conclusión foi extraída primeiro por De Broglie e, polo tanto, isto é coñecido como a hipótese de De Broglie. Como a lonxitude de onda da partícula en movemento exprésase como

Onde, p é o momento, h é a constante de Planck e a lonxitude de onda λ denomínase lonxitude de onda de De Broglie. De Broglie explicou que, como os electróns orbitan arredor do núcleo, tamén terán un comportamento ondulatorio xunto coas súas características semellantes a partículas.

Experimento de Davisson e Germer

A natureza ondulatoria do electrón pode probarse e establecerse de moitas maneiras diferentes, pero o experimento máis popular é o de Davisson e Germer no ano 1927. Neste experimento, usaron un feixe de electróns acelerados que normalmente incide na superficie dun bloque de níquel. Observaron o patrón de electróns dispersos despois de incider no bloque de níquel. Usaron un monitor de densidade de electróns para este propósito. Aínda que se esperaba que os electróns se dispersaran despois da colisión a diferentes ángulos respecto ao eixo do feixe de electróns incidente, no experimento real descubriuse que a densidade de electróns dispersos era maior a ángulos específicos que outros. Esta distribución angular dos electróns dispersos é moi semellante a unha interferencia da difracción da luz. Polo tanto, este experimento mostra claramente a existencia da dualidade onda-partícula dos electróns. O mesmo principio pode aplicarse aos protóns e neutrones tamén.

Declaración: Respete o orixinal, os artigos de calidade merecen ser compartidos, se hai algún dereito de autor, póñase en contacto para eliminar.