Načelo dvojne narave valov in delcev

S pridružitvijo fotonega učinka, Cromptonovega učinka in Bohrjevega modela atoma, ideja o svetlobi ali na splošno o radiacijah, sestavljenih iz delcev ali diskretnih kvantov, je postala široko sprejeta. Vendar pa je veliko ustanovljen Huygensov princip in rezultati Youngovega poskusa z dvojnim razvorom jasno pokazali, da je svetloba valovi in ne tok delcev.

Odkriti vzorec interferencije, ki ga opazimo, ko svetlobo pustimo skozi dvojni razvor, je definitivno rezultat valnega nivoja svetlobe. To je ponovno povzročilo kontroverzo o naravi svetlobe. Leto 1704 je Newton predlagal teorijo o časticah svetlobe s svojo korpuskularno teorijo.

Nobena od teh dveh teorij ni bila dovolj dobra, da bi razložila vse pojave, povezane z svetlobo. Zato so znanstveniki začeli zaključevati, da ima svetloba oba nivoja, valnega in častice. Leto 1924 je francoski fizik Louis de Broglie predlagal teorijo. Predlagal je, da ima vsaka častica v tem vesolju tudi valni nivo, torej, vsemu v tem svetu, čeprav malemu fotonu ali velikemu slonu, je pripisana valna dolžina, to je druga zadeva, ali je valni nivo opazljiv ali ne. Pripisal je valovno dolžino vsaki snovi z maso m in gibalno količino p kot

Kjer je h Planckova konstanta in p = mv, v hitrost telesa.

Zaradi velike mase slona ima zelo znaten gibalni moment in zato zelo majhno valovno dolžino, ki jo ne moremo opaziti. Vendar pa majhne častice, kot so elektroni itd., imajo zelo majhno maso in zato zelo opazljivo valovno dolžino ali valni nivo. Ta teorija de Broglieja nam tudi pomaga razložiti diskretno obstojanje orbit v Bohrovem modelu atoma. Elektron bo obstajal v orbiti, če je njegova dolžina enaka integralnemu večkratniku njegove naravne valovne dolžine, če ne more zaključiti svoje valovne dolžine, ta orbita ne bo obstajala.

Dodatni razvoji Davissona in Germerega o difrakciji elektronov iz kristala in podoben vzorec interferencije, ki so ga dobili po bombardiranju dvojnega razvora z elektroni, sta okrepila de Brogliejevo teorijo valov častice ali valčna častica dualnost teorijo.

Comptonov učinek

V fotonegu učinku svetloba udari metal v obliki žarka delcev, imenovanih fotoni. Energija enega fotona prispeva k delovni funkciji energiji enega elektrona in hkrati zagotavlja kinetično energijo temu emitiranemu elektronu. Ti fotoni so častico podobno obnašanje svetlobnega vala. Sir Albert Einstein je predlagal, da je svetloba združen učinek velikega števila energijskih paketov, imenovanih fotoni, kjer vsak foton vsebuje energijo hf. Kjer je h Planckova konstanta in f frekvenca svetlobe. To je častico podobno obnašanje svetlobnega vala. Častico podobno obnašanje svetlobnega vala ali druge elektromagnetne valovosti lahko razložimo z Comptonovim učinkom.

V tem poskusu je en žarek roentgenovega žarka z frekvenco fo in valovno dolžino λo padel na elektron. Po udaru elektrona z incidenčnim roentgenovim žarkom se je odkrilo, da so elektron in incidenčni roentgenov žarek razpršila v dva različna kota glede na os incidenčnega roentgenovega žarka. Ta trk sledi principu ohranitve energije, podobno kot trk newtonskega častice. Odkrili so, da se elektron po trku pospeši v določenem smeri, incidenčni roentgenov žarek pa se difraktira v drugi smeri, pri čemer se je tudi opazilo, da ima difraktirani žarek drugačno frekvenco in valovno dolžino kot incidenčni roentgenov žarek. Ker se energija fotona spreminja z frekvenco, se lahko zaključi, da incidenčni roentgenov žarek izgubi energijo med trkom in frekvenca difraktiranega žarka je vedno manjša od incidenčnega roentgenovega žarka. Ta izgubljena energija roentgenovega fotona prispeva k kinetični energiji gibanja elektrona. Ta trk roentgenovega žarka ali njegovih fotonev z elektronom je podoben trku newtonskega častice, kot so biljarne krogle.

Energija fotona je dana z

Torej se gibalna količina fotona lahko dokaže kot

Kar se lahko zapiše kot,

Iz enačbe (1) se lahko zaključi, da bo elektromagnetni val z valovno dolžino λ imel foton z gibalno količino p.
Iz enačbe (2) se lahko zaključi, da je častica z gibalno količino p povezana z valovno dolžino λ. To pomeni, da ima val častico podobne značilnosti, častica na gibanju pa tudi kaže valovno obnašanje.

Kot smo že rekli, je ta zaključek prvič izpeljal De Broglie in zato se to imenuje De Brogliejeva hipoteza. Ker se valovna dolžina gibajoče častice izraža kot

Kjer je p gibalna količina, h Planckova konstanta in valovna dolžina λ se nanaša na De Brogliejevo valovno dolžino. De Broglie je razložil, da bo elektron, ki občasno obhaja jedro, imel tudi valovno obnašanje skupaj s svojimi častico podobnimi značilnostmi.

Davisson in Germerov poskus

Valovno naravo elektrona je mogoče dokazati in utrditi na mnogih različnih načinih, vendar najbolj priljubljen poskus leta 1927 sta izvedla Davisson in Germer. V tem poskusu sta uporabila žarek pospešenih elektronov, ki normalno udari površino bloka niklja. Opazovali so vzorec razpršenih elektronov po udaru na blok niklja. Za to namen sta uporabila monitor gostote elektronov. Čeprav se je pričakovalo, da bi elektroni po trku razpršili v različne kote glede na os incidenčnega žarka elektronov, se je v dejanskem poskusu odkrilo, da je bila gostota razpršenih elektronov višja pri določenih kotih kot pri drugih. Ta kotna porazdelitev razpršenih elektronov je zelo podobna interferenci svetlobne difrakcije. Torej ta poskus jasno kaže obstoj valčna častica dualnost elektronov. Isti princip se lahko uporabi tudi za proitone in neutrona.

Izjava: Spoštuj izvirnike, dobre članke je vredno deliti, če je kršenje avtorskih pravic prosim kontaktirajte za brisanje.