Hullám-részecske dualitás elve

A fénykép hatásának, Crompton hatásának és Bohr atommodelljének fejlődésével a fény vagy általánosságban a sugárzás részecskékkel vagy diszkrét kvantumokkal való összetett jelenségének elterjedése egyre nagyobb mértékben elfogadott lett.
Azonban Huygens elve és Young kettős szellő-experimentjei eredményei világosan kimutatták, hogy a fény hullám, nem részecskeáram.

A kettős szellőn keresztül átmenő fény által megfigyelt nyomás minta bizonyította a fény hullámtermészetét. Ez újra felvetette a fény természete kapcsán folytatott vitát. 1704-ben Newton is részecskeként jellemezte a fényt korpuskuláris elméletével.

Egyik elmélet sem volt elegendő a fényhez kapcsolódó összes jelenség magyarázatához. Így a tudósok arra következtettek, hogy a fény mind hullám-, mind részecsketermészetű. 1924-ben Louis de Broglie francia fizikus előterjesztette az elméletet, amely szerint a világegyetem minden részecskéje hullámtermészetű is, tehát bármi, akár egy kis foton, akár egy óriás elefánt, mindennek van hozzá tartozó hulláma, még ha ez a hullámtermészet nem is észrevehető. A hullámhosszot hozzárendelte minden anyaghoz, aminek tömege m, és lendülete p:

Ahol h a Planck-állandó, p = mv, v pedig a test sebessége.

Tehát az óriás elefánt nagy tömege miatt rendkívül jelentős lendülettel bír, és ennek megfelelően nagyon rövid hullámhosszúságú, ami nem észrevehető. Azonban a kisebb részecskék, például az elektronok, nagyon kicsi tömegük miatt rendkívül észrevehető hullámhosszúságúak vagy hullámtermészetűek. De Broglie elmélete segítséget nyújt a Bohr atommodelljének diszkrét pályái megmagyarázásához. Az elektron csak akkor létezik egy pályán, ha a hossza megegyezik a természetes hullámhosszának egész számú többszörösével, ha nem tudja befejezni a hullámhosszát, akkor az adott pálya nem létezik.

Davisson és Germer kísérletei, amelyekben elektronok diffrakciója kristályon és hasonló interferencia minta jött létre, amikor elektronok ütköztek kettős szellőn, erősítették de Broglie anyaghullámelméletét, vagy a hullám-részecske dualitás elméletét.

Compton-hatás

A fénykép hatás során a fény részecskék, fotonek nevezett sugarak formájában ütközik egy fémfelületre. Egy fotón energia hozzájárul a munkafüggvény energiához, valamint a kinetikus energiához, amelyet a kibocsátott elektron támaszt. Ezek a fotonek a fény hullámtermészetének részecskéjei. Sir Albert Einstein azt javasolta, hogy a fény a nagyszámú energia csomag, fotónak nevezett elemek gyűjteménye, ahol minden fotón hf energiával rendelkezik. Ahol h a Planck-állandó, f pedig a fény frekvenciája. Ez a fény hullámtermészetének részecskéje. A fény hullám- vagy más elektromágneses hullám részecskéje jelensége a Compton-hatással magyarázható.

Ebben a kísérletben egy x-sugár, amelynek frekvenciája fo, és hullámhossza λo ütközik egy elektronra. A szóródás után az elektron és az x-sugár különböző szögben szóródik a bejövő x-sugár tengelyéhez képest. Ez a ütközés megfelel az energia-megmaradás törvényének, mint a newtoni részecskék ütközése. Megállapították, hogy a ütközés után az elektron egy adott irányba gyorsít, míg az x-sugár máshova szóródik, és a szóródott sugár frekvenciája és hullámhossza eltér a bejövő x-sugártól. Mivel a fotón energia frekvenciával változik, következtethetünk, hogy a bejövő x-sugár veszít energiát a ütközés során, és a szóródott sugár frekvenciája mindig kisebb, mint a bejövő x-sugár frekvenciája. Ez a vesztes x-sugár fotón energiája hozzájárul az elektron mozgásának kinetikus energiájához. Ez az x-sugár vagy fotón és elektron ütközése hasonló a newtoni részecskék, például a bililabdák ütközéséhez.

A fotón energia a következőképpen adható meg:

Ezért a fotón lendülete a következőképpen bizonyítható:

Ami így is írható:

Az (1) egyenlet alapján következtethetünk, hogy egy λ hullámhosszúságú elektromágneses hullám λ hullámhosszúságú fotónnal rendelkezik.
Az (2) egyenlet alapján következtethetünk, hogy egy p lendületű részecske λ hullámhosszúságú. Ez azt jelenti, hogy a hullám részecske jellegű, a részecske mozgása során hullám jellegű viselkedést mutat.

Ahogy már említettük, ez a következtetés először De Broglie vonultatta le, ezért ez ismert a De Broglie-hipotézisként. Mivel a mozgó részecske hullámhossza a következőképpen fejezhető ki:

Ahol p a lendület, h a Planck-állandó, és a λ hullámhossz a De Broglie hullámhosszának neve. De Broglie azt mondta, hogy ahogy az elektronok a mag körül keringenek, a hullám jellegű viselkedésük is megjelenik a részecske jellegű tulajdonságai mellett.

Davisson-Germer-kísérlet

Az elektron hullámtermészetének bizonyítása és megalapozása sokféleképpen történhet, de a legnépszerűbb kísérlet a Davisson-Germer-kísérlet volt 1927-ben. Ebben a kísérletben gyorsított elektronok sugarát használták, amely normálisan ütközött egy nikkel blokk felületére. Megfigyelték a szóródott elektronok mintáját a nikkel blokkon ütköztetés után. Elektron sűrűség-monitorral végezték ezt a célzatot. Bár elvárták, hogy az elektronok különböző szögekben szóródnak, a bejövő elektron sugarak tengelyéhez képest, a valós kísérletben azt találták, hogy a szóródott elektronok sűrűsége bizonyos szögeknél nagyobb, mint másoknál. Ez a szóródott elektronok szögleges eloszlása nagyon hasonló a fénydiffrakció interferenciájához. Ez a kísérlet tehát világosan megmutatja az elektronok hullám-részecske dualitását. Ugyanez az elv alkalmazható a protonokra és neutronokra is.

Kijelentés: Tiszteletben tartsuk az eredeti, jó cikkeket, amelyek megosztást érdemelnek, ha sértés esetén lépjünk kapcsolatba a törlésével kapcsolatba.