Principio di dualità onda-particella

Con lo sviluppo dell'effetto fotoelettrico, dell'effetto Crompton e del modello atomico di Bohr, l'idea che la luce o, in generale, le radiazioni siano composte da particelle o quanti discreti stava guadagnando ampio consenso.
Tuttavia, il ben consolidato Principio di Huygens e i risultati degli esperimenti della doppia fenditura di Young dimostravano chiaramente che la luce era una onda e non un flusso di particelle.

Il notevole pattern di interferenza osservato passando la luce attraverso due fessure era sicuramente il risultato della natura ondulatoria della luce. Questo diede nuovamente origine alla controversia sulla natura della luce. Nel 1704 Newton aveva anche suggerito la natura corpuscolare della luce con la sua teoria corpuscolare.

Nessuna delle due teorie era sufficiente per spiegare tutti i fenomeni associati alla luce. Pertanto, gli scienziati iniziarono a concludere che la luce ha sia una natura ondulatoria che corpuscolare. Nel 1924, un fisico francese, Louis de Broglie, propose una teoria. Suggerì che tutte le particelle nell'universo sono associate a una natura ondulatoria, ovvero tutto nel mondo, sia un piccolo fotone o un elefante gigante, ha un'onda associata a sé, è una questione diversa se la natura ondulatoria è percettibile o meno. Assegnò una lunghezza d'onda a ogni materia con massa m e quantità di moto p come

Dove h è la costante di Planck e p = mv, v è la velocità del corpo.

Quindi, a causa della grande massa di un elefante, esso ha un momento molto significativo e quindi una lunghezza d'onda molto piccola, che non siamo in grado di notare. Tuttavia, piccole particelle come elettroni, ecc., hanno una massa molto piccola e quindi una lunghezza d'onda o natura ondulatoria molto percettibile. Questa teoria di de Broglie ci aiuta anche a spiegare l'esistenza discreta degli orbitali nel modello atomico di Bohr. Un elettrone esisterà in un orbitale se la sua lunghezza è uguale a un multiplo intero della sua lunghezza d'onda naturale, se non è in grado di completare la sua lunghezza d'onda, quell'orbitale non esisterà.

Ulteriori sviluppi da parte di Davisson e Germer sulla diffrazione degli elettroni da un cristallo e un pattern di interferenza simile ottenuto dopo aver bombardato una doppia fenditura con elettroni hanno rafforzato la teoria delle onde materiale di de Broglie o la teoria della dualità onda-particella.

Effetto Compton

Nell'effetto fotoelettrico, la luce colpisce un metallo sotto forma di fascio di particelle chiamate fotoni. L'energia di un fotone contribuisce alla funzione lavoro di un elettrone e fornisce anche l'energia cinetica a tale elettrone emesso. Questi fotoni rappresentano il comportamento corpuscolare dell'onda luminosa. Sir Albert Einstein propose che la luce è l'effetto collettivo di un gran numero di pacchetti di energia chiamati fotoni, dove ciascun fotone contiene un'energia di hf. Dove h è la costante di Planck e f è la frequenza della luce. Questo è un comportamento corpuscolare dell'onda luminosa. Il comportamento corpuscolare dell'onda luminosa o di altre onde elettromagnetiche può essere spiegato dall'effetto Compton.

In questo esperimento, un fascio di raggi X di frequenza fo e lunghezza d'onda λo era incidente su un elettrone. Dopo che il raggio X incidente colpiva l'elettrone, si è scoperto che l'elettrone e il raggio X incidente erano dispersi in due angoli diversi rispetto all'asse del raggio X incidente. Questa collisione obbedisce al principio di conservazione dell'energia, proprio come la collisione di particelle newtoniane. Si è trovato che, dopo la collisione, l'elettrone si muove in una direzione specifica e il raggio X incidente viene diffratto in un'altra direzione, ed è stato anche osservato che il raggio diffratto ha una frequenza e una lunghezza d'onda diverse rispetto al raggio X incidente. Poiché l'energia del fotone varia con la frequenza, si può concludere che il raggio X incidente perde energia durante le collisioni e la frequenza del raggio diffratto è sempre inferiore a quella del raggio X incidente. Questa energia persa dal fotone dei raggi X contribuisce all'energia cinetica per il movimento dell'elettrone. Questa collisione tra raggi X o i suoi fotoni e l'elettrone è simile a quella tra particelle newtoniane come le palle da biliardo.

L'energia del fotone è data da

Pertanto, il momento del fotone può essere dimostrato come

Che può essere scritto come,

Dall'equazione (1) si può concludere che un'onda elettromagnetica con lunghezza d'onda λ avrà un fotone con momento p.
Dall'equazione (2) si può concludere che una particella con momento p è associata a una lunghezza d'onda λ. Ciò significa che l'onda ha caratteristiche corpuscolari, la particella in movimento mostra anche un comportamento ondulatorio.

Come abbiamo già detto, questa conclusione fu tratta per la prima volta da De Broglie e pertanto è nota come ipotesi di De Broglie. Poiché la lunghezza d'onda della particella in movimento è espressa come

Dove p è il momento, h è la costante di Planck e la lunghezza d'onda λ è chiamata lunghezza d'onda di De Broglie. De Broglie spiegò che, poiché gli elettroni orbitano intorno al nucleo, avranno anche un comportamento ondulatorio oltre alle loro caratteristiche corpuscolari.

Esperimento di Davisson e Germer

La natura ondulatoria dell'elettrone può essere dimostrata e stabilita in molti modi diversi, ma l'esperimento più popolare è quello di Davisson e Germer nel 1927. In questo esperimento utilizzarono un fascio di elettroni accelerati che normalmente colpisce la superficie di un blocco di nichel. Hanno osservato il pattern degli elettroni dispersi dopo il colpo sul blocco di nichel. Hanno utilizzato un monitor di densità di elettroni per questo scopo. Anche se si aspettava che l'elettrone dovesse essere disperso dopo la collisione in diversi angoli rispetto all'asse del fascio di elettroni incidente, nell'esperimento effettivo si è scoperto che la densità degli elettroni dispersi era maggiore a particolari angoli rispetto ad altri. Questa distribuzione angolare degli elettroni dispersi è molto simile a un'interferenza di diffrazione della luce. Pertanto, questo esperimento dimostra chiaramente l'esistenza della dualità onda-particella degli elettroni. Lo stesso principio può essere applicato anche ai protoni e ai neutroni.

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