Zasada dualizmu falowo-cząsteczkowego

Wraz z rozwojem efektu fotoelektrycznego, efektu Cromptona i modelu atomowego Bohra, koncepcja światła, a w rzeczywistości promieniowania w ogóle, składającego się z cząstek lub dyskretnych kwantów, zaczęła zdobywać szeroką popularność.
Jednak dobrze ugruntowane zasady Huygensa oraz wyniki eksperymentu Younga z podwójną szczeliną wykazały jednoznacznie, że światło jest falą, a nie strumieniem cząstek.

Zauważalny wzór interferencyjny obserwowany przez przepuszczanie światła przez podwójne szczeliny był zdecydowanie wynikiem fali świetlnej. To ponownie dało początek kontrowersji natury światła. W 1704 roku Newton również sugerował cząstkową naturę światła poprzez swoją teorię korpuskularną.

Żadna z tych dwóch teorii nie była wystarczająca, aby wyjaśnić wszystkie zjawiska związane ze światłem. Naukowcy zaczęli więc wnioskować, że światło ma zarówno falowe, jak i cząstkowe cechy. W 1924 roku francuski fizyk Louis de Broglie zaproponował teorię. Sugerował, że wszystkie cząstki we wszechświecie są związane z falami, czyli wszystko na świecie, od małego fotona po olbrzymiego słonia, ma powiązaną falę, choć jej natura może być zauważalna lub nie. Przypisał długość falową każdemu materii o masie m i pędzie p jako

Gdzie h to stała Plancka, a p = mv, v to prędkość ciała.

Ze względu na ogromną masę słonia, ma on bardzo znaczący pęd, a więc bardzo krótką długość fali, której nie możemy zauważyć. Jednak małe cząstki, takie jak elektrony, mają bardzo małą masę, co oznacza, że ich długość fali lub natura falowa jest bardzo zauważalna. Ta teoria de Broglie pomaga nam także wyjaśnić dyskretne istnienie orbit w modelu atomowym Bohra. Elektron będzie istniał na orbicie, jeśli jej długość będzie równa całkowitej wielokrotności jego naturalnej długości fali, jeśli nie jest w stanie ukończyć swojej długości fali, to orbita ta nie istnieje.

Dalsze rozwinięcia teorii przez Davissona i Germera dotyczące dyfrakcji elektronów na krystalach oraz podobny wzór interferencyjny uzyskany po bombardowaniu podwójnej szczeliny elektronami wzmocniły teorię falowo-cząstkową de Broglie'a lub dwuistotności falowo-cząstkowej.

Efekt Comptona

W efekcie fotoelektrycznym, światło uderza w metal w formie wiązki cząsteczek zwanych fotonami. Energia jednego fotona przyczynia się do funkcji pracy jednego elektronu, a także dostarcza energię kinetyczną temu emitowanemu elektronowi. Te fotony są zachowaniem cząstkowym fali świetlnej. Sir Albert Einstein zaproponował, że światło to zbiorczy efekt ogromnej liczby pakietów energetycznych zwanych fotonami, gdzie każdy foton zawiera energię hf. Gdzie h to stała Plancka, a f to częstotliwość światła. To jest zachowanie cząstkowe fali świetlnej. Zachowanie cząstkowe fali świetlnej lub innej fali elektromagnetycznej można wyjaśnić za pomocą efektu Comptona.

W tym doświadczeniu, wiązka promieni X o częstotliwości fo i długości fali λo była zwrócona na elektron. Po uderzeniu elektronu przez incydentne promienie X stwierdzono, że elektron i incydentne promienie X są rozproszone pod różnymi kątami względem osi incydentnych promieni X. To zderzenie spełnia zasady zachowania energii, podobnie jak zderzenia cząstek newtonowskich. Stwierdzono, że po zderzeniu elektron zostaje przyspieszony w określonym kierunku, a incydentne promienie X są rozpraszane w innym kierunku, a także zauważono, że rozproszone promienie mają inną częstotliwość i długość fali niż incydentne promienie X. Ponieważ energia fotona zmienia się wraz z częstotliwością, można wnioskować, że incydentne promienie X tracą energię podczas zderzeń, a częstotliwość rozproszonych promieni jest zawsze mniejsza niż incydentnych promieni X. Ta utracona energia fotonu promieni X przyczynia się do ruchu kinetycznego elektronu. To zderzenie promieni X lub jego fotonu z elektronem jest podobne do zderzenia newtonowskich cząstek, takich jak piłki bilardowe.

Energia fotona jest dana przez

Ponadto, pęd fotona można udowodnić jako

Co można zapisać jako,

Z równania (1) można wnioskować, że fala elektromagnetyczna o długości fali λ będzie miała foton o pędzie p.
Z równania (2) można wnioskować, że cząstka o pędzie p jest związana z długością fali λ. Oznacza to, że fala ma cechy cząstkowe, a cząstka w ruchu również wykazuje zachowanie falowe.

Jak już powiedzieliśmy, ten wniosek został po raz pierwszy sformułowany przez de Broglie, dlatego jest znany jako hipoteza de Broglie. Długość fali poruszającej się cząstki jest wyrażona jako

Gdzie p to pęd, h to stała Plancka, a długość fali λ nazywana jest długością fali de Broglie. De Broglie wyjaśniał, że gdy elektrony krążą wokół jądra, będą miały również zachowanie falowe obok cech cząstkowych.

Eksperyment Davissa i Germera

Falowa natura elektronu może zostać udowodniona i potwierdzona na wiele różnych sposobów, ale najpopularniejszym doświadczeniem jest eksperyment Davissa i Germera w 1927 roku. W tym doświadczeniu użyli wiązki przyspieszonych elektronów, które normalnie uderzały w powierzchnię bloku niklu. Obserwowali wzór rozproszonych elektronów po uderzeniu w blok niklu. Użyli do tego celu monitora gęstości elektronów. Chociaż spodziewano się, że elektrony powinny być rozpraszone po zderzeniu pod różnymi kątami względem osi incydentnej wiązki elektronów, w rzeczywistym doświadczeniu stwierdzono, że gęstość rozproszonych elektronów była większa pod określonymi kątami niż inne. Ten rozkład kątowy rozproszonych elektronów jest bardzo podobny do interferencji światła. Dlatego to doświadczenie jasno pokazuje istnienie dwuistotności falowo-cząstkowej elektronów. Ta sama zasada może być stosowana do protonów i neutronów.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły są wartym dzielenia, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt.