Bølge-partikkel dualitetsprinsipp

Med utviklingen av fotoneffekten, Crompton-effekten og Bohrs atommodell, begynte ideen om at lys eller i virkeligheten stråling generelt, består av partikler eller diskrete kvanta, å få stor popularitet.
Imidlertid gjorde det vel etablerte Huygens prinsipp og resultatene fra Youngs dobbeltspaltseksperimenter det klart at lys var en bølge, ikke en strøm av partikler.

Den slående interferensmønsteren som ble observert ved å la lys passere gjennom dobbeltpalter, var definitivt et resultat av lysets bølgjeform. Dette førte til ny debatt om lysets natur. I 1704 foreslo Newton også partikelteorien for lys ved sin korpuskularteori.

Ingen av de to teoriene var tilstrekkelig for å forklare alle fenomen knyttet til lys. Derfor begynte forskere å konkludere at lys har både bølgje- og partikelnatur. I 1924 kom den franske fysikeren Louis de Broglie med en teori. Han foreslo at alle partikler i universet har en bølgjenatur, altså at alt i verden, enten det er et litet foton eller en enorm elefant, har en tilhørende bølge, uansett om denne bølgjenaturen er merkbar eller ikke. Han tilordnet en bølgjelengde til hvert materie med masse m og bevegelsesmoment p som

Der h er Plancks konstant og p = mv, v er kroppens hastighet.

På grunn av den store massen til en elefant, har den et veldig betydelig bevegelsesmoment og dermed en veldig liten bølgjelengde, som vi ikke kan oppdage. Men små partikler som elektroner, etc., har veldig lite masse og dermed en veldig merkbar bølgjelengde eller bølgjenatur. Denne teorien til de Broglie hjelper oss også med å forklare den diskrete eksistensen av baner i Bohrs atommodell. Et elektron vil eksistere i en bane hvis dens lengde er lik et heltall ganger dens naturlige bølgjelengde, hvis det ikke kan fullføre sin bølgjelengde, vil denne banen ikke eksistere.

Ytterligere utviklinger av Davisson og Germer av elektron-diffraksjon fra et krystall og et lignende interferensmønster som ble oppnådd etter bombelement av en dobbeltpalte med elektroner, styrket de Broglies materiebølgeteori eller bølgje-partikel dualiteten teori.

Compton-effekt

I fotoelektriske effekten treffer lyset en metallflate i form av et stråle av partikler kalt fotoner. Energi fra et foton bidrar til arbeidsfunksjonen for et elektron samt gir kinetisk energi til det utslitte elektronet. Disse fotoner er partikellignende atferd av lysbølger. Sir Albert Einstein foreslo at lys er et sammensurium av et stort antall energipakker kalt fotoner, hvor hvert foton inneholder energi på hf. Hvor h er Plancks konstant og f er frekvensen til lyset. Dette er en partikellignende atferd av lysbølger. Partikellignende atferd av lysbølger eller andre elektromagnetiske bølger kan forklares ved Compton-effekten.

I dette eksperimentet ble et røntgenstråle med frekvens fo og bølgjelengde λo sendt inn mot et elektron. Etter at det inkomne røntgenstrålet hadde truffet elektronet, ble det funnet at både elektronet og det inkomne røntgenstrålet ble spredt i to forskjellige vinkler i forhold til akse for det inkomne røntgenstrålet. Denne kollisjonen overholder energibevarelserprinsippet som kollisjon av Newtonske partikler. Det ble funnet at etter kollisjonen ble elektronet akselerert i en bestemt retning, mens det inkomne røntgenstrålet ble diffraktet i en annen retning, og det ble også observert at det diffrakte strålet hadde en annen frekvens og bølgjelengde enn det inkomne røntgenstrålet. Siden energien til fotonet varierer med frekvens, kan det konkluderes at det inkomne røntgenstrålet taper energi under kollisjonen, og frekvensen til det diffrakte strålet er alltid mindre enn den inkomne røntgenstrålen. Den tapte energien til røntgenfotonet bidrar til kinetisk energi for bevegelsen av elektronet. Denne kollisjonen mellom røntgenstrålet eller dets fotoner og elektronet er akkurat som til Newtonske partikler som biljarballer.

Energi av foton er gitt ved

Derfor kan bevegelsesmomentet til fotonet bevise som

Som kan skrives som,

Fra ligning (1) kan det konkluderes at en elektromagnetisk bølge med bølgjelengde λ vil ha et foton med bevegelsesmoment p.
Fra ligning (2) kan det konkluderes at et partikkel med bevegelsesmoment p er assosiert med bølgjelengde λ. Det betyr at bølge har partikellignende egenskaper, partikkelen på bevegelse viser også bølgjelignende atferd.

Som vi allerede har sagt, ble denne konklusjonen først trukket av De Broglie, og derfor kalles dette for De Broglies hypotese. Som bølgjelengden til det bevegende partikkelen uttrykkes som

Hvor p er bevegelsesmomentet, h er Plancks konstant, og bølgjelengde λ refereres til som De Broglies bølgjelengde. De Broglie forklarte at når elektronene beveger seg rundt kjernen, vil de også ha bølgjelignende egenskaper sammen med sine partikellignende egenskaper.

Davisson og Germers eksperiment

Bølgjenaturen til elektron kan bevises og etableres på mange ulike måter, men det mest populære eksperimentet er Davisson og Germers eksperiment i 1927. I dette eksperimentet brukte de et stråle av akselererte elektroner som normalt treffer overflaten av en nikkelblokk. De observerte mønsteret av spredte elektroner etter at de hadde treft nikkelblokken. De brukte en elektron-tetthetsmonitor til dette formålet. Selv om det var forventet at elektronene skulle sprede seg i forskjellige vinkler i forhold til aksen for det inkomne elektronstrålet, fant de i det faktiske eksperimentet at tettheten av spredte elektroner var større ved spesifikke vinkler enn andre. Dette vinkelutbredningen av de spredte elektronene er veldig lik et interferensmønster av lysdiffraksjon. Derfor viser dette eksperimentet tydelig eksistensen av bølgje-partikel dualiteten hos elektroner. Samme prinsipp kan også anvendes på protoner og neutroner.

Erklæring: Respekt for originaliteten, god artikler verdt å dele, ved kränkning kontakter slett.