Viļņa-daubas dualitātes princips

Ar fotoefekta, Kromptona efekta un Bohra atommodelis attīstībā ideja par gaismu vai pat radiāciju vispār, kas sastāv no daļiņām vai diskretiem Kvantiem, kļuva arvien populārāka.
Tomēr, ļoti izveidotais Huygensa princips un Janga dubultā šķēres eksperimenta rezultāti skaidri parādīja, ka gaiss ir viļņi, nevis daļiņu plūsma.

Straujais interferences modelis, kas novērots, noliekot gaismu caur divām šķērām, noteikti bija rezultāts gaismu viļņveida dabai. Tas vēlreiz radīja gaismu dabas kontroverzi. 1704. gadā Niutons arī ierosināja gaismu daļiņu teoriju.

Neviena no abām teorijām nebija pietiekami laba, lai izskaidrotu visus gaismu saistītos fenomēnus. Tāpēc zinātnieki sāka secināt, ka gaiss ir gan viļņu, gan daļiņu dabas. 1924. gadā franču fiziks Luijs de Broglie ierosināja teoriju. Viņš ierosināja, ka visi universuma daļiņi ir saistīti arī ar viļņu dabu, t.i., viss šajā pasaulē, vai nu tas ir mazs fotons vai liels elefants, viss ir saistīts ar viļņu, joprojām atkarībā no tā, vai viļņu dabu var uztvert vai nē. Viņš piešķīra garumu katram materijas objektam ar masu m un impulsu p, kā

Kur h ir Planka konstante un p = mv, v ir kustības ātrums.

Tāpēc, dēļ liela elefanta masas, tam ir ļoti nozīmīgs impuls un tāpēc ļoti maza viļņgarums, ko mēs neesam spējīgi uztvert. Tomēr mazi daļiņi, piemēram, elektroni utt., ir ar ļoti mazu masu un tāpēc ļoti uztverams viļņgarums vai viļņu dabas. Šī de Broglie teorija mums arī palīdz izskaidrot diskrēto orbitu pastāvēšanu Bohra atommodelī. Elektrons eksistēs orbītā, ja tā garums ir veselu reižu viļņgarums, ja tas nevar pilnībā veidot savu viļņgarumu, tad tāda orbīta neeksistēs.

Davisona un Germera elektronu difrakcijas kristāla eksperimenti un līdzīga interferences modelis, iegūts bombardējot divas šķēras ar elektroniem, stiprināja de Broglie materijas viļņu teoriju vai viļņu-daļiņu dualitātes teoriju.

Komptona Efekts

Fotoefektā gaiss uzplūst metālu formā daļiņu straumes, ko sauc par fotoniem. Viens fotonis dod enerģiju viena elektrona darba funkcijai, kā arī sniedz kinētisko enerģiju izmetamajam elektronam. Šie fotoni ir gaismu viļņu daļiņu rakstura uzvedība. Sir Alberts Einšteins ierosināja, ka gaiss ir milzīgas skaita enerģijas paketes kopējā efekts, ko sauc par fotoniem, kur katrs fotonis satur hf enerģiju. Kur h ir Planka konstante, un f ir gaisma frekvence. Tas ir gaismu viļņu daļiņu rakstura uzvedība. Gaismu viļņu vai citu elektromagnētisku viļņu daļiņu raksturu var izskaidrot ar Komptona efektu.

Šajā eksperimentā x staru straume ar frekvenci fo un viļņgarumu λo tika nolikta uz elektronu. Pēc to sadursmes ar incidento x stari to atrada, ka elektrons un incidentais x stars abi tika spridzināti divos dažādos leņķos attiecībā pret incidentā x stara ass. Šī sadursme ievēro enerģijas saglabāšanas principu, tāpat kā Newtona daļiņu sadursme. Tika atklāts, ka pēc sadursmes elektrons tiek paātrināts noteiktā virzienā, bet incidentais x stars tiek difraktēts otrā virzienā, un tika novērots, ka difraktētais starss ir ar citu frekvenci un viļņgarumu nekā incidentais x stars. Jo fotonu enerģija mainās ar frekvenci, var secināt, ka incidentais x stars zaudē enerģiju sadursmē, un difraktētais stars vienmēr ir ar zemāku frekvenci nekā incidentais x stars. Šī x staru fotona zaudētā enerģija dod kinētisko enerģiju elektronam. Šī x staru vai fotonu un elektrona sadursme ir tāda pati kā Newtona daļiņu, piemēram, biljarda bumbas, sadursme.

Fotona enerģija ir dota ar

Tāpēc fotona impulsu var pierādīt kā

Ko var uzrakstīt kā,

No (1) vienādojuma var secināt, ka elektromagnētiskais viļņš ar viļņgarumu λ būs fotonis ar impulsu p.
No (2) vienādojuma var secināt, ka daļiņa ar impulsu p ir saistīta ar viļņgarumu λ. Tas nozīmē, ka viļņi ir arī daļiņu rakstura, daļiņa kustībā arī izrāda viļņu raksturu.

Kā mēs jau esam minējuši, šāds secinājums tika griezts pirmo reizi de Broglie, un tāpēc tas pazīstams kā de Broglie hipotēze. Kad kustīgā daļiņas viļņgarums tiek izteikts kā

Kur p ir impuls, h ir Planka konstante, un viļņgarums λ tiek saukts par de Broglie viļņgarumu. De Broglie izskaidroja, ka, kad elektroni orbītā ap kodolu, tiem būs arī viļņu raksturs, kā arī daļiņu raksturs.

Davisona un Germera Eksperiments

Elektronu viļņu raksturu var pierādīt un ieviest daudzos dažādos veidos, bet vispopulārākais eksperiments bija Davisona un Germera eksperiments 1927. gadā. Šajā eksperimentā viņi izmantoja paātrinātu elektronu straumi, kas parasti uzplūst nikela bloka virsmā. Viņi novēroja spridzināto elektronu modeli pēc to uzplūdes uz nikela bloka. Viņi izmantoja elektronu blītuma monitoru šim nolūkam. Neraugoties uz to, ka bija gaidīts, ka elektroni pēc sadursmes būtu spridzināti dažādos leņķos attiecībā pret incidentā elektronu straumes asi, faktiskajā eksperimentā tika atklāts, ka spridzināto elektronu blītums bija lielāks noteiktos leņķos nekā citos. Šis spridzināto elektronu leņķa sadalījums ir ļoti līdzīgs gaismu difrakcijas interferences modelim. Tāpēc šis eksperiments skaidri parāda elektronu viļņu-daļiņu dualitāti. Tāds pats princips var tikt piemērots arī protoniem un neutroniem.

Paziņojums: Cienīt oriģinālo, labas rakstītas raksti vērtīgi dalīties, ja ir pārkāpumi, lūdzu, sazinieties, lai dzēstu.