Golf-Dualiteit Principe

Met de ontwikkeling van de fotocell-effect, Crompton’s effect en het Bohr-atoommodel, kreeg het idee dat licht, of in feite straling in het algemeen, bestaat uit deeltjes of discrete Quanta, steeds meer aanhang.
Echter, het zeer gevestigde Huygens-principe en de resultaten van Young's dubbele-spleet-experimenten maakten duidelijk dat licht een golf is en geen stroom deeltjes.

Het opvallende interferentiepatroon dat werd waargenomen door licht door twee spleten te laten gaan, was zeker het resultaat van de golfnatuur van licht. Dit veroorzaakte opnieuw controverse over de aard van licht. In 1704 had Newton ook de deeltjenaard van licht voorgesteld met zijn corpusculaire theorie.

Geen van de twee theorieën was toereikend om alle verschijnselen die met licht samenhangen te verklaren. Daarom begonnen wetenschappers te concluderen dat licht zowel golf- als deeltjenaard heeft. In 1924 kwam de Franse natuurkundige Louis de Broglie met een theorie. Hij stelde voor dat alle deeltjes in het universum ook een golfnatuur hebben, dat wil zeggen, alles in deze wereld, of het nu een kleine foton is of een grote olifant, heeft een bijbehorende golf, het is een andere zaak of de golfnatuur waarneembaar is of niet. Hij wees een golflengte toe aan elk object met massa m en impuls p als

Waarbij h de Planck-constante is en p = mv, v is de snelheid van het lichaam.

Vanwege de enorme massa van een olifant heeft hij een zeer aanzienlijke impuls en daardoor een zeer kleine golflengte, die we niet kunnen waarnemen. Echter, kleine deeltjes zoals elektronen, etc., hebben een zeer kleine massa en daarom een zeer opvallende golflengte of golfnatuur. Deze theorie van de Broglie helpt ons ook om het discrete bestaan van banen in Bohr's atoommodel te verklaren. Een elektron zal in een baan bestaan als de lengte ervan gelijk is aan een geheel veelvoud van zijn natuurlijke golflengte, als het zijn golflengte niet kan voltooien, dan zal die baan niet bestaan.

Verdere ontwikkelingen door Davisson en Germer van elektronendiffractie van een kristal en een vergelijkbaar interferentiepatroon verkregen na het bombarderen van een dubbele spleet met elektronen, hebben de Broglie's materiegolftheorie of de wave particle dualiteit theorie versterkt.

Compton Effect

Bij het foto-elektrisch effect slaat het licht in de vorm van een bundel deeltjes, genaamd fotonen, op een metaal. De energie van één foton draagt bij aan de werkfunctie-energie van één elektron en levert ook de kinetische energie voor dat uitgestoten elektron. Deze fotonen zijn het deeltjegedrag van de lichtgolf. Sir Albert Einstein stelde voor dat licht het collectieve effect is van een groot aantal energiepakketten, genaamd fotonen, waarbij elk foton een energie bevat van hf. Waarbij h de Planck-constante is en f de frequentie van het licht. Dit is een deeltjegedrag van de lichtgolf. Het deeltjegedrag van lichtgolven of andere elektromagnetische golven kan worden uitgelegd door de Compton-effect.

In dit experiment werd een röntgenstraal met frequentie fo en golflengte λo op een elektron gericht. Na het treffen van het elektron door de incidentele röntgenstraal bleek dat zowel het elektron als de incidentele röntgenstraal in twee verschillende hoeken werden verspreid ten opzichte van de as van de incidentele röntgenstraal. Deze botsing volgt het principe van energiebehoud net zoals de botsing van Newtoniaanse deeltjes. Het werd gevonden dat na de botsing het elektron in een bepaalde richting wordt versneld en de incidentele röntgenstraal in een andere richting wordt gediffracteerd, en het werd ook waargenomen dat de gediffracteerde straal een andere frequentie en golflengte heeft dan de incidentele röntgenstraal. Aangezien de energie van het foton varieert met de frequentie, kan worden geconcludeerd dat de incidentele röntgenstraal energie verliest tijdens de botsingen en de frequentie van de gediffracteerde straal altijd kleiner is dan die van de incidentele röntgenstraal. Deze verloren energie van het röntgenfoton draagt bij aan de kinetische energie voor de beweging van het elektron. Deze botsing van röntgenstralen of hun fotonen en elektronen is net zo als de botsing van Newtoniaanse deeltjes, zoals biljartballen.

De energie van het foton wordt gegeven door

Daarom kan de impuls van het foton worden bewezen als

Wat kan worden geschreven als,

Uit vergelijking (1) kan worden geconcludeerd dat een elektromagnetische golf met golflengte λ een foton heeft met impuls p.
Uit vergelijking (2) kan worden geconcludeerd dat een deeltje met impuls p is gekoppeld aan golflengte λ. Dat betekent dat de golf deeltjegelijke kenmerken heeft, het deeltje op beweging toont ook golfachtig gedrag.

Zoals we al zeiden, werd deze conclusie voor het eerst getrokken door De Broglie, en daarom staat deze bekend als de De Broglie-hypothese. Aangezien de golflengte van het bewegende deeltje wordt uitgedrukt als

Waarbij p de impuls is, h de Planck-constante en de golflengte λ wordt aangeduid als de Broglie-golflengte. De Broglie legde uit dat wanneer elektronen rond het nucleus cirkelen, ze ook golfachtig gedrag hebben naast hun deeltjegelijke kenmerken.

Davisson en Germer Experiment

De golfnatuur van elektronen kan op vele verschillende manieren worden bewezen en vastgesteld, maar het meest populaire experiment is dat van Davisson en Germer in 1927. In dit experiment gebruikten zij een bundel versnelde elektronen die normaal gesproken op de oppervlakte van een nikkelblok inslaat. Zij observeerden het patroon van gestraalde elektronen na het inslaan op het nikkelblok. Zij gebruikten hiervoor een elektronendichtheidmonitor. Hoewel verwacht werd dat de elektronen na de botsing in verschillende hoeken ten opzichte van de as van de incidentele elektronenbundel zouden worden gestraald, bleek in het daadwerkelijke experiment dat de dichtheid van de gestraalde elektronen hoger was op bepaalde hoeken dan op andere. Deze hoekverdeling van de gestraalde elektronen is erg vergelijkbaar met de interferentie van lichtdiffractie. Dit experiment laat dus duidelijk zien dat er wave particle dualiteit van elektronen bestaat. Dezelfde principes kunnen ook worden toegepast op protonen en neutronen.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de elkaar waard om te delen, indien er inbreuk is wordt contact opgenomen voor verwijdering.