עקרון הדואליות של גל חלקיק

עם התפתחות האפקט הפוטואלקטרי, אפקט קראפטון ו-מודל האטום של בוהר, הרעיון שאור או למעשה קרינה בכלל, מורכבת מחלקיקים או מקוונטים בדידים, זכה לפופולריות רבה.
עם זאת, העקרונות המוכרים של היגנס והתוצאות הניסויים של שני הסדקים של יאנג הראו בבירור כי אור הוא גל ולא זרם חלקיקים.

המגמה המינית שנצפתה על ידי מעבר אור דרך שני סדקים הייתה בוודאות תוצאה של טבע הגל של האור. זה שוב גרם למחלוקת לגבי טבע האור. בשנת 1704 גם ניוטון הציע את הטבע החלקיקי של האור על ידי תיאוריה שלו.

לאף אחת מהשתי תאוריות לא היה מספיק כדי להסביר את כל התופעות הקשורות לאור. לכן מדענים החלו להסיק כי לאור יש את שני הטבעים, גלי וחלקיקי. בשנת 1924, פיזיקאי צרפתי בשם לואי דה ברוז'ה הציע תאוריה. הוא הציע שכל חלקיקים ביקום הם בעלי טבע גלי, כלומר, כל דבר בעולם, בין אם זה פוטון קטן או פיל ענק, לכל יש גל קשור אליו, זה לא משנה אם הטבע הגלי הוא מורגש או לא. הוא הקצה אורך גל לכל חומר עם מסה m ומומנטום p כ-
כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-p = mv, v היא מהירות הגוף.

כתוצאה מהמסה העצומה של פיל, יש לו מומנטום משמעותי מאוד ולכן אורך גל מאוד קצר, שאנו לא יכולים להבחין בו. עם זאת, חלקיקים קטנים כגון אלקטרונים, יש להם מסה קטנה מאוד ולכן אורך גל מורגש מאוד או טבע גלי. תאוריה זו של דה ברוז'ה גם עוזרת לנו להסביר את קיום המסלולים הדיסקרטיים במודל האטום של בוהר. אלקטרון יתקיים במסלול אם אורכו שווה לכפולה שלמה מאורך גל טבעי, אם הוא אינו יכול לסיים את אורך הגל שלו אז המסלול הזה לא יתקיים.

פיתוחים נוספים של דייויסון וג'רמר של התפזרות אלקטרונים מגביש ותבנית התאבכות דומה שהתקבל אחרי פגיעת אלקטרונים בשני סדקים התחזקו את תורת הגל החומר של דה ברוז'ה או תורת הדו-טבעיות הגלי-חלקיקי.

אפקט קומפטון

באפקט הפוטואלקטרי, האור פוגע במetal בצורה של שטף חלקיקים הקרויים פוטונים. אנרגיית הפוטון אחד תורמת לאנרגיית פונקציית העבודה של אלקטרון אחד וכן מספק אנרגיית תנועה לאלקטרון המופלט. פוטונים אלו הם התנהגות חלקיקית של גל אור. סר אלברט איינשטיין הציע כי אור הוא השפעה קולקטיבית של מספר גדול של חבילות אנרגיה הקרויות פוטונים, כאשר כל פוטון מכיל אנרגיה של hf. כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-f הוא תדר האור. זהו התנהגות חלקיקית של גל אור. התנהגות חלקיקית של גלי אור או גלי אלקטרומגנטי אחרים יכולה להוסבר על ידי אפקט קומפטון.

בניסוי זה, שטף קרני רנטגן בתדר fo ואורך גל λo פגע באלקטרון. לאחר פגיעת קרן הרנטגן באלקטרון נמצא שהאלקטרון וקרן הרנטגן שנפגעה שניהם מתפזרים לשני זוויות שונות ביחס לציר של קרן הרנטגן הנכנסת. ההתנגשות הזו מגיבה לעקרון שימור האנרגיה כמו התנגשות של חלקיקים ניוטוניים. נמצא כי לאחר ההתנגשות האלקטרון מתאץ בכיוון מסוים וקרן הרנטגן מתפזרת בכיוון אחר ונמצאה גם כי קרן המתפזרת היא בעלת תדר ואורך גל שונים מקרן הרנטגן הנכנסת. מאחר ואנרגיית הפוטון משתנה עם התדר ניתן להסיק כי קרן הרנטגן מאבדת אנרגיה במהלך ההתנגשות והתדר של קרן המתפזרת תמיד נמוך יותר מהתדר של קרן הרנטגן הנכנסת. האנרגיה האבודה של פוטון קרן הרנטגן תורמת לאנרגיית תנועה עבור תנועת האלקטרון. התנגשות זו של קרן הרנטגן או פוטון שלה ואלקטרון היא כמו לתנגשות של חלקיקים ניוטוניים כגון כדורים ביליארד.

אנרגיה של פוטון נתונה על ידי

לכן התנע של הפוטון יכול להוכיח כ-
אשר יכול להיכתב כ-
ממשוואה (1) ניתן להסיק כי גל אלקטרומגנטי באורך גל λ יהיה לפוטון עם תנע p.
ממשוואה (2) ניתן להסיק כי חלקיק עם תנע p קשור באורך גל λ. כלומר, גל בעל תכונות חלקיקיות, החלקיק בתנועה גם מציג התנהגות גלית.

כפי שאמרנו כבר, המסקנה הראשונה נגררה על ידי דה ברוז'ה ולכן זה ידוע כהיפותזה של דה ברוז'ה. מאחר ואורך גל של חלקיק בתנועה מתואר כ-
כאשר, p הוא התנע, h הוא קבוע פלאנק ואורך גל λ הוא המכונה אורך גל דה ברוז'. דה ברוז' הסביר כי כשאלקטרונים מסובבים סביב הליבה, הם יש להם גם התנהגות גלית יחד עם תכונות חלקיקיות שלהם.

ניסוי דייויסון וג'רמר

הטבע הגלי של אלקטרון יכול להוכח ולהתבסס בדרכים רבות, אך הניסוי הפופולרי ביותר הוא ניסוי דייויסון וג'רמר בשנת 1927. בניסוי זה הם השתמשו בשטף של אלקטרונים מאיצים שפגעו באופן טיפוסי על פני גוש ניקל. הם צפאו את התבנית של אלקטרונים מתפזרים לאחר פגיעתם על גוש הניקל. הם השתמשו במד אנרגיה של אלקטרונים למטרה זו. למרות שציפו שהאלקטרונים יתפזרו לאחר התנגשות בזוויות שונות ביחס לציר של שטף האלקטרונים הנכנס, בניסוי עצמו נמצא כי צפיפות האלקטרונים המתפזרים הייתה גבוהה יותר בזוויות מסוימות מאשר בזוויות אחרות. התפלגות הזוויות של האלקטרונים המתפזרים היא מאוד דומה להתאבכות של גלי אור. לכן הניסוי הזה מראה בבירור את קיום הדו-טבעיות הגלי-חלקיקי של אלקטרונים. אותו עיקרון יכול להיות מושך גם לפרוטונים ונייטרונים.

הצהרה: כבוד למקור, מאמרים טובים ראויים להפצה, אם קיים פריצת זכויות יוצרים נא צרו קשר למחיקה.