Prinsip Dualiti Gelombang Zarah

Dengan perkembangan Kesan fotoelektrik, Kesan Crompton dan Model atom Bohr, idea bahawa cahaya atau radiasi secara umumnya, terdiri daripada zarah atau Quanta yang diskret semakin mendapat populariti.
Namun, Prinsip Huygen yang sangat tertubuh dan hasil eksperimen celah ganda Young menjadikan sangat jelas bahawa cahaya adalah gelombang dan bukan aliran zarah.

Pola gangguan yang mencolok diperhatikan dengan melewatkan cahaya melalui dua celah pasti merupakan hasil sifat gelombang cahaya. Ini sekali lagi menimbulkan kontroversi tentang sifat cahaya. Pada tahun 1704, Newton juga telah mencadangkan sifat zarah cahaya melalui teori corpuscularnya.

Tiada satupun dari kedua-dua teori itu cukup memadai untuk menerangkan semua fenomena yang berkaitan dengan cahaya. Oleh itu, saintis bermula untuk menyimpulkan bahawa cahaya mempunyai sifat gelombang dan zarah. Pada tahun 1924, seorang fizikawan Perancis, Louis de Broglie datang dengan satu teori. Dia mencadangkan bahawa semua zarah di alam semesta ini juga berkaitan dengan sifat gelombang, iaitu segala sesuatu di dunia ini, sama ada foton kecil atau gajah besar, semuanya mempunyai gelombang yang berkaitan dengannya, ia adalah masalah yang berbeza apakah sifat gelombang tersebut boleh diperhatikan atau tidak. Dia menetapkan panjang gelombang kepada setiap materi dengan jisim m dan momentum p sebagai

Di mana, h adalah pemalar Planck dan p = mv, v adalah halaju badan.

Oleh kerana jisim gajah yang sangat besar, ia mempunyai momentum yang sangat signifikan dan oleh itu panjang gelombang yang sangat kecil, yang kita tidak dapat perhatikan. Namun, zarah kecil seperti elektron, dll. mempunyai jisim yang sangat kecil dan oleh itu panjang gelombang atau sifat gelombang yang sangat ketara. Teori de Broglie ini juga membantu kita menerangkan kewujudan orbit diskret dalam model atom Bohr. Elektron akan wujud dalam orbit jika panjangnya sama dengan gandaan integer panjang gelombang aslinya, jika ia tidak dapat menyelesaikan panjang gelombangnya maka orbit tersebut tidak akan wujud.

Pengembangan lebih lanjut oleh Davisson dan Germer mengenai difraksi elektron dari kristal dan pola gangguan yang serupa yang diperoleh selepas mengebom celah ganda dengan elektron telah menguatkan teori gelombang zarah de Broglie atau teori dualitas gelombang zarah.

Kesan Compton

Dalam kesan fotoelektrik, cahaya menyerang logam dalam bentuk hujan zarah yang dipanggil foton. Tenaga satu foton menyumbang fungsi kerja tenaga satu elektron serta memberikan tenaga kinetik kepada elektron yang dikeluarkan. Foton-foton ini adalah tingkah laku zarah cahaya. Sir Albert Einstein mencadangkan bahawa cahaya adalah kesan kolektif paket-paket tenaga yang banyak dipanggil foton di mana setiap foton mengandungi tenaga hf. Di mana h adalah pemalar Planck dan f adalah frekuensi cahaya. Ini adalah tingkah laku zarah cahaya. Tingkah laku zarah cahaya atau gelombang elektromagnetik lain boleh dijelaskan oleh kesan Compton.

Dalam eksperimen ini, satu sinar X dengan frekuensi fo dan panjang gelombang λo ditujukan pada elektron. Selepas sinar X insiden menyerang elektron, didapati bahawa elektron dan sinar X insiden tersebar ke dua sudut yang berbeza berbanding dengan paksi sinar X insiden. Taburan ini mematuhi prinsip pengawetan tenaga seperti taburan zarah Newtonian. Didapati bahawa selepas taburan, elektron bergerak ke arah tertentu dan sinar X insiden terdiffraksi ke arah lain dan juga diperhatikan bahawa sinar difraksi mempunyai frekuensi dan panjang gelombang yang berbeza daripada sinar X insiden. Kerana tenaga foton berubah dengan frekuensi, boleh disimpulkan bahawa sinar X insiden kehilangan tenaga semasa taburan dan frekuensi sinar difraksi selalu kurang daripada sinar X insiden. Tenaga yang hilang dari foton sinar X menyumbang tenaga kinetik untuk pergerakan elektron. Taburan sinar X atau fotonnya dan elektron ini sama seperti taburan zarah Newtonian seperti bola Bilyar.

Tenaga foton diberikan oleh

Oleh itu momentum foton boleh dibuktikan sebagai

Yang boleh ditulis sebagai,

Dari persamaan (1) boleh disimpulkan bahawa gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang λ akan mempunyai foton dengan momentum p.
Dari persamaan (2) boleh disimpulkan bahawa zarah dengan momentum p berkaitan dengan panjang gelombang λ. Itu bermaksud gelombang mempunyai ciri-ciri zarah, zarah pada pergerakan juga menunjukkan tingkah laku gelombang.

Seperti yang telah kita katakan, kesimpulan ini pertama kali ditarik oleh De Broglie dan oleh itu ini dikenali sebagai hipotesis De Broglie. Kerana panjang gelombang zarah bergerak dinyatakan sebagai

Di mana, p adalah momentum, h adalah pemalar Planck dan panjang gelombang λ dirujuk sebagai panjang gelombang De Broglie. De Broglie menjelaskan bahawa ketika elektron mengorbit sekitar nukleus, ia juga akan mempunyai tingkah laku gelombang bersama-sama dengan ciri-ciri zarahnya.

Eksperimen Divission dan Germer

Sifat gelombang elektron boleh dibuktikan dan ditetapkan dengan pelbagai cara tetapi eksperimen paling popular adalah Eksperimen Divission dan Germer pada tahun 1927. Dalam eksperimen ini mereka menggunakan hujan elektron yang dipercepat yang biasanya menyerang permukaan blok nikel. Mereka mengamati corak elektron tersebar selepas menyerang blok nikel. Mereka menggunakan pemantau kepadatan elektron untuk tujuan ini. Walaupun dijangka bahawa elektron harus tersebar selepas taburan pada sudut yang berbeza berbanding dengan paksi hujan elektron insiden, tetapi dalam eksperimen sebenarnya didapati bahawa kepadatan elektron tersebar lebih tinggi pada sudut tertentu berbanding yang lain. Penyebaran sudut elektron tersebar ini sangat serupa dengan gangguan difraksi cahaya. Oleh itu, eksperimen ini dengan jelas menunjukkan kewujudan dualitas gelombang zarah elektron. Prinsip yang sama boleh diterapkan kepada proton dan neutron juga.

Pernyataan: Hormati asal, artikel yang baik berharga dibagi, jika terdapat pelanggaran hak cipta silakan hubungi untuk menghapus.