Princip dvojne prirode vala i čestice

S razvojem fotodijelečnog efekta, Cromptonovog efekta i Bohrinog modela atoma, ideja o svjetlu, ili zapravo zračenju općenito, sastavljenom od čestica ili diskretnih kvanta, stježivala se sve više popularnosti.
Međutim, vrlo utvrđeni Huygensov princip i rezultati Youngovih eksperimenata s dvostrukim šlitom jasno su pokazali da je svjetlost val, a ne protok čestica.

Značajni interferencijski uzorak koji se promatra prolaskom svjetlosti kroz dvostruki šlit definitivno je rezultat valne prirode svjetlosti. Ovo je opet dovelo do kontroverze o prirodi svjetlosti. 1704. godine Newton je također predložio česticnu prirodu svjetlosti svojom korpuskularnom teorijom.

Nijedna od dvije teorije nije bila dovoljno adekvatna da objasni sve pojave povezane sa svjetlošću. Stoga su znanstvenici počeli zaključivati da svjetlost ima i valnu i česticnu prirodu. 1924. godine, francuski fizičar Louis de Broglie je iznio teoriju. Predložio je da su sve čestice u ovom svijetu povezane s valnom prirodom, tj. sve na ovom svijetu, bilo to mala fotona ili veliki slon, sve ima pridruženi val, bitno je samo da li je valna priroda primjetljiva ili ne. Dodelio je talasnu duljinu svakoj tvari s masom m i momentom p kao

gdje je h Planckova konstanta, a p = mv, gdje je v brzina tijela.

Stoga, zbog ogromne mase slona, on ima veoma značajan moment, a time i vrlo malu talasnu duljinu, koju ne možemo primijetiti. Međutim, male čestice poput elektrona itd. imaju vrlo malu masu, a time i vrlo primjetnu talasnu duljinu ili valnu prirodu. Ova de Broglieeva teorija također nam pomaže da objasnimo diskretnu postojanost orbita u Bohrovom modelu atoma. Elektron će postojati u orbiti ako je njegova dužina jednaka integralnom višekratniku njegove prirodne talasne duljine, ako ne može završiti svoju talasnu duljinu, tada ta orbita neće postojati.

Daljnji razvoji Davissona i Germera elektronske difrakcije s kristala i sličan interferencijski uzorak dobiven bombardiranjem dvostrukog šlita elektronima jačao su de Broglieevu teoriju materijskih valova ili valno-česticnu dualnost.

Comptonov efekt

U fotodijelečnom efektu, svjetlost udara na metal u obliku snopa čestica koje se nazivaju fotoni. Energija jednog fotona doprinosi radnoj funkciji jednog elektrona, te pruža kinetičku energiju tom emitiranom elektronu. Ovi fotoni predstavljaju česticnu ponašanje svjetlosnog vala. Sir Albert Einstein je predložio da je svjetlost kolektivni efekt ogromnog broja paketa energije, nazvanih foton, gdje svaki foton sadrži energiju hf. Gdje je h Planckova konstanta, a f frekvencija svjetlosti. Ovo je česticno ponašanje svjetlosnog vala. Česticno ponašanje svjetlosnog vala ili drugih elektromagnetskih valova može se objasniti Comptonovim efektom.

U ovom eksperimentu, jedan snop X-zraka frekvencije fo i talasne duljine λo bio je incidenatan na elektron. Nakon udaranja incidentnim X-zracima na elektron, otkriveno je da se elektron i incidentni X-zraci rasipaju pod različitim kutovima u odnosu na os incidentnih X-zraka. Ovaj sudar obuhvaća princip očuvanja energije, baš kao i sudar newtonske čestice. Ustanovljeno je da se nakon sudara elektron ubrzava u određenom smjeru, a incidentni X-zraci difraktiraju u drugom smjeru, a također je promatrano da difraktirani zraci imaju različitu frekvenciju i talasnu duljinu od incidentnih X-zraka. Budući da se energija fotona mijenja s frekvencijom, može se zaključiti da incidentni X-zraci gube energiju tijekom sudara, a frekvencija difraktiranih zraka uvijek je manja od frekvencije incidentnih X-zraka. Ova izgubljena energija X-zračnog fotona doprinosi kinetičkoj energiji za kretanje elektrona. Sudar X-zraka ili njegovih fotona i elektrona sličan je sudaru newtonske čestice, poput biljarških loptica.

Energija fotona dana je formulom

Stoga se impulz fotona može dokazati formulom

Što se može napisati kao,

Iz jednadžbe (1) može se zaključiti da elektromagnetski val s talasnom duljinom λ ima foton s impulzom p.
Iz jednadžbe (2) može se zaključiti da je čestica s impulzom p povezana s talasnom duljinom λ. To znači da val ima česticne karakteristike, a čestica tokom kretanja isto tako pokazuje valno ponašanje.

Kao što smo već rekli, ovaj zaključak prvi je izveo De Broglie, stoga se to zove De Broglieeva hipoteza. Kako se talasna duljina pokretnih čestica izražava formulom

gdje je p impulz, h Planckova konstanta, a talasna duljina λ se naziva De Broglieeva talasna duljina. De Broglie je objasnio da elektroni dok orbite oko jezgre, imat će i valno ponašanje uz svoje česticne karakteristike.

Davisson i Germerov eksperiment

Valna priroda elektrona može se dokazati i uspostaviti na mnogo različitih načina, ali najpopularniji eksperiment je Davisson i Germerov eksperiment 1927. godine. U ovom eksperimentu koristili su snop ubrzanih elektrona koji normalno udari na površinu bloka bakra. Promatrali su uzorak rasipa elektrona nakon udaranja na blok bakra. Za tu svrhu koristili su monitor gustoće elektrona. Iako se očekivalo da bi elektroni trebali biti rasipa poslije sudara pod različitim kutovima u odnosu na os incidentnog snopa elektrona, u stvarnom eksperimentu utvrđeno je da je gustoća rasipa elektrona bila veća na određenim kutovima nego na drugima. Ova kutna distribucija rasipa elektrona vrlo je slična interferenciji difrakcije svjetlosti. Stoga ovaj eksperiment jasno pokazuje postojanje valno-česticne dualnosti elektrona. Isti princip može se primijeniti i na protonske i neutronsko čestice.

Izjava: Prijavite autorska prava, dobri članci vredni dijeljenja, ukoliko je došlo do kršenja autorskih prava molim kontaktirajte nas za brisanje.