Принцип двойственности волны и частицы

С развитием фотоэлектрического эффекта, эффекта Кrompton и модели атома Бора, идея о том, что свет, или вообще излучения, состоят из частиц или дискретных квантов, стала широко распространенной.
Однако устоявшийся принцип Гюйгенса и результаты экспериментов Юнга с двойной щелью четко показали, что свет является волной, а не потоком частиц.

Наблюдаемый яркий интерференционный рисунок при прохождении света через двойную щель был явно результатом волновой природы света. Это снова вызвало споры о природе света. В 1704 году Ньютон также предложил корпускулярную теорию, согласно которой свет состоит из частиц.

Ни одна из двух теорий не была достаточной, чтобы объяснить все явления, связанные со светом. Таким образом, ученые начали заключать, что свет имеет как волновую, так и корпускулярную природу. В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул теорию. Он предположил, что все частицы во вселенной также обладают волновой природой, то есть все в этом мире, будь то маленький фотон или огромный слон, имеют связанную с собой волну, вопрос только в том, заметна ли эта волновая природа или нет. Он присвоил длину волны каждому веществу с массой m и импульсом p следующим образом:

где h — постоянная Планка, p = mv, v — скорость тела.

Таким образом, из-за огромной массы слона у него очень значительный импульс, и, следовательно, очень малая длина волны, которую мы не можем заметить. Однако маленькие частицы, такие как электроны, имеют очень маленькую массу, и, следовательно, очень заметную длину волны или волновую природу. Эта теория де Бройля также помогает нам объяснить дискретное существование орбит в модели атома Бора. Электрон будет существовать на орбите, если ее длина равна целому кратному его естественной длине волны, если он не может завершить свою длину волны, то такая орбита не будет существовать.

Дальнейшие разработки Дэвиссона и Джермера, связанные с дифракцией электронов от кристалла, и аналогичный интерференционный рисунок, полученный после бомбардировки двойной щели электронами, укрепили теорию волновой природы материи де Бройля или волново-корпускулярного дуализма.

Эффект Комптона

В фотоэлектрическом эффекте свет ударяет по металлу в виде пучка частиц, называемых фотонами. Энергия одного фотона вносит вклад в функцию работы одного электрона, а также обеспечивает кинетическую энергию этому эмитированному электрону. Эти фотоны являются частицеподобным поведением световой волны. Сэр Альберт Эйнштейн предложил, что свет является коллективным эффектом большого числа энергетических пакетов, называемых фотонами, где каждый фотон содержит энергию hf. Где h — постоянная Планка, f — частота света. Это частицеподобное поведение световой волны. Частицеподобное поведение световой волны или другого электромагнитного излучения можно объяснить эффектом Комптона.

В этом эксперименте один пучок рентгеновских лучей с частотой fo и длиной волны λo был направлен на электрон. После удара рентгеновского излучения по электрону было обнаружено, что электрон и рентгеновское излучение рассеиваются под разными углами относительно оси падающего рентгеновского излучения. Этот столкновение подчиняется закону сохранения энергии, как и столкновение ньютоновских частиц. Было установлено, что после столкновения электрон ускоряется в определенном направлении, а падающее рентгеновское излучение дифрагирует в другом направлении, и было также замечено, что дифрагированный луч имеет другую частоту и длину волны, чем падающее рентгеновское излучение. Поскольку энергия фотона изменяется с частотой, можно сделать вывод, что падающее рентгеновское излучение теряет энергию при столкновении, и частота дифрагированного луча всегда меньше, чем частота падающего рентгеновского излучения. Эта потеря энергии рентгеновского фотона вносит вклад в кинетическую энергию для движения электрона. Это столкновение рентгеновского излучения или его фотона и электрона подобно столкновению ньютоновских частиц, таких как бильярдные шары.

Энергия фотона выражается следующим образом:

Следовательно, импульс фотона можно выразить как:

Что можно записать как:

Из уравнения (1) можно сделать вывод, что электромагнитная волна с длиной волны λ будет иметь фотон с импульсом p.
Из уравнения (2) можно сделать вывод, что частица с импульсом p связана с длиной волны λ. То есть волна имеет частицеподобные характеристики, а частица при движении также демонстрирует волноподобное поведение.

Как уже говорилось, этот вывод был сделан впервые де Бройлем, поэтому это известно как гипотеза де Бройля. Длина волны движущейся частицы выражается следующим образом:

Где p — импульс, h — постоянная Планка, а длина волны λ называется длиной волны де Бройля. Де Бройль объяснил, что поскольку электроны вращаются вокруг ядра, они также будут демонстрировать волновое поведение вместе с их частицеподобными характеристиками.

Эксперимент Дэвиссона и Джермера

Волновую природу электрона можно доказать и установить многими различными способами, но наиболее популярным экспериментом является эксперимент Дэвиссона и Джермера в 1927 году. В этом эксперименте они использовали пучок ускоренных электронов, который обычно ударял по поверхности никелевого блока. Они наблюдали за рисунком рассеянных электронов после удара по никелевому блоку. Для этой цели они использовали монитор плотности электронов. Хотя ожидалось, что электроны должны рассеиваться после столкновения под разными углами относительно оси падающего пучка электронов, в реальном эксперименте было обнаружено, что плотность рассеянных электронов была выше под определенными углами, чем под другими. Эта угловая распределение рассеянных электронов очень похожа на интерференцию, наблюдаемую при дифракции света. Таким образом, этот эксперимент четко показывает существование волново-корпускулярного дуализма электронов. Тот же принцип можно применить и к протонам, и к нейтронам.

Заявление: Уважайте оригиналы, хорошие статьи стоит делиться, если есть нарушение авторских прав, свяжитесь для удаления.