Princípio da Dualidade Onda-Partícula

Com o desenvolvimento do efeito fotoelétrico, efeito de Crompton e modelo atômico de Bohr, a ideia de que a luz, ou de fato as radiações em geral, são compostas por partículas ou quanta discretos, estava ganhando grande popularidade.
No entanto, o bem estabelecido Princípio de Huygens e os resultados dos experimentos de dupla fenda de Young tornaram muito claro que a luz era uma onda e não um fluxo de partículas.

O padrão de interferência observado ao passar a luz através de duas fendas era definitivamente resultado da natureza ondulatória da luz. Isso novamente deu origem à controvérsia sobre a natureza da luz. Em 1704, Newton também sugeriu a natureza corpuscular da luz com sua teoria corpuscular.

Nenhuma das duas teorias era suficiente para explicar todos os fenômenos associados à luz. Assim, os cientistas começaram a concluir que a luz tem tanto natureza ondulatória quanto corpuscular. Em 1924, um físico francês, Louis de Broglie, propôs uma teoria. Ele sugeriu que todas as partículas no universo estão associadas a uma natureza ondulatória, ou seja, tudo neste mundo, sejam pequenos fótons ou elefantes gigantes, tudo tem uma onda associada a si, é apenas uma questão de se a natureza ondulatória é notável ou não. Ele atribuiu um comprimento de onda a cada matéria com massa m e momento p como

Onde h é a constante de Planck e p = mv, v é a velocidade do corpo.

Portanto, devido à enorme massa de um elefante, ele tem um momento muito significativo e, consequentemente, um comprimento de onda muito pequeno, que não conseguimos notar. No entanto, partículas pequenas, como elétrons, etc., têm uma massa muito pequena e, portanto, um comprimento de onda ou natureza ondulatória muito notável. Essa teoria de de Broglie também nos ajuda a explicar a existência discreta de órbitas no modelo atômico de Bohr. Um elétron existirá em uma órbita se seu comprimento for igual a múltiplo integral de seu comprimento de onda natural, se não conseguir completar seu comprimento de onda, essa órbita não existirá.

Desenvolvimentos posteriores por Davisson e Germer da difração de elétrons em um cristal e um padrão de interferência semelhante obtido após bombardear uma dupla fenda com elétrons fortaleceram a teoria da onda de matéria de de Broglie ou a teoria da dualidade onda-partícula.

Efeito Compton

No efeito fotoelétrico, a luz atinge um metal na forma de um feixe de partículas chamadas fótons. A energia de um fóton contribui para a função de trabalho de um elétron, além de fornecer a energia cinética para esse elétron emitido. Estes fótons são o comportamento corpuscular da onda luminosa. Sir Albert Einstein propôs que a luz é o efeito coletivo de um grande número de pacotes de energia chamados fótons, onde cada fóton contém a energia de hf. Onde h é a constante de Planck e f é a frequência da luz. Este é um comportamento corpuscular da onda luminosa. O comportamento corpuscular da onda luminosa ou outras ondas eletromagnéticas pode ser explicado pelo efeito Compton.

Neste experimento, um feixe de raios X de frequência fo e comprimento de onda λo foi incidente em um elétron. Após o elétron ser atingido pelo raio X incidente, descobriu-se que o elétron e o raio X incidente foram dispersos em dois ângulos diferentes em relação ao eixo do raio X incidente. Esta colisão obedece ao princípio de conservação de energia, assim como a colisão de partículas newtonianas. Foi observado que, após a colisão, o elétron é acelerado em uma direção específica e o raio X incidente é difratado em outra direção, e também foi observado que o raio difratado tem uma frequência e um comprimento de onda diferentes do raio X incidente. Como a energia do fóton varia com a frequência, pode-se concluir que o raio X incidente perde energia durante as colisões e a frequência do raio difratado é sempre menor que a do raio X incidente. Esta energia perdida do fóton de raios X contribui para a energia cinética do movimento do elétron. Esta colisão de raios X ou seus fótons e elétrons é semelhante à colisão de partículas newtonianas, como bolas de bilhar.

A energia do fóton é dada por

Portanto, o momento do fóton pode ser provado como

O que pode ser escrito como,

A partir da equação (1), pode-se concluir que uma onda eletromagnética com comprimento de onda λ terá o fóton com momento p.
A partir da equação (2), pode-se concluir que uma partícula com momento p está associada a um comprimento de onda λ. Isso significa que a onda tem características corpusculares, a partícula em movimento também exibe comportamento ondulatório.

Como já dissemos, esta conclusão foi extraída pela primeira vez por De Broglie e, portanto, isso é conhecido como hipótese de De Broglie. Como o comprimento de onda da partícula em movimento é expresso por

Onde p é o momento, h é a constante de Planck e o comprimento de onda λ é referido como comprimento de onda de De Broglie. De Broglie explicou que, conforme os elétrons orbitam ao redor do núcleo, eles também terão um comportamento ondulatório, juntamente com suas características corpusculares.

Experimento de Davisson e Germer

A natureza ondulatória do elétron pode ser comprovada e estabelecida de várias maneiras, mas o experimento mais popular é o de Davisson e Germer no ano de 1927. Neste experimento, eles usaram um feixe de elétrons acelerados que normalmente atinge a superfície de um bloco de níquel. Eles observaram o padrão de elétrons dispersos após atingir o bloco de níquel. Eles usaram um monitor de densidade de elétrons para este propósito. Embora fosse esperado que o elétron fosse disperso após a colisão em diferentes ângulos em relação ao eixo do feixe de elétrons incidente, no experimento real, foi encontrado que a densidade de elétrons dispersos era maior em ângulos particulares do que outros. Esta distribuição angular dos elétrons dispersos é muito semelhante a uma interferência de difração de luz. Portanto, este experimento mostra claramente a existência da dualidade onda-partícula dos elétrons. O mesmo princípio pode ser aplicado aos prótons e nêutrons também.

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