Princip dvostruke prirode talasa i čestica

Sa razvoju fotoelektričnog efekta, Cromptonovog efekta i Bohrinog modela atoma, ideja o tome da svetlost, ili zapravo radijacije opšte, sastoje se od čestica ili diskretnih kvanta, stizala je do širokog priznanja.
Međutim, već utvrđeni Huygenov princip i rezultati Youngovih eksperimenata sa dvostrukom šljivom jasno su pokazali da je svetlost talas, a ne tok čestica.

Iznenađujući interferencijski obrazac koji se dobija prolaženjem svetlosti kroz dvostruku šljivu definitivno je rezultat valne prirode svetlosti. Ovo je ponovo dovuklo do kontroverze oko prirode svetlosti. 1704. godine Njutn je takođe predložio čestičnu prirodu svetlosti svojom korpuskularnom teorijom.

Nijedna od ovih dvije teorija nije bila dovoljno adekvatna da objasni sve fenomene povezane sa svetlošću. Stoga su naučnici počeli da zaključuju da svetlost ima i valnu i čestičnu prirodu. 1924. godine, francuski fizičar Louis de Broglie je izveo teoriju. On je predložio da su svi delci u ovom univerzumu povezani sa valnom prirodom, to jest, sve na svetu, bilo da je to mali foton ili veliki slon, ima pripadajući talas, bez obzira na to da li je valna priroda vidljiva ili ne. On je dodelio talasnu dužinu svakoj materiji sa masom m i momentom p kao

Gde je h Planckova konstanta, a p = mv, gde je v brzina tela.

Zbog ogromne mase slona, on ima značajni moment i stoga vrlo malu talasnu dužinu, koju ne možemo primetiti. Međutim, male čestice, poput elektrona itd., imaju vrlo malu masu i stoga značajnu talasnu dužinu ili valnu prirodu. Ova teorija de Broglie-ja nam takođe pomaže da objasnimo diskretno postojanje orbita u Bohrinom modelu atoma. Elektron će postojati u orbiti ako je njegova dužina jednaka integralnom višekratniku njegove prirodne talasne dužine, ako ne može da završi svoju talasnu dužinu, tada ta orbita neće postojati.

Dalji razvoji Davissona i Germera o difrakciji elektrona sa kristala i sličan interferencijski obrazac koji se dobio nakon bombardovanja dvostruke šljive elektronima, jačali su de Broglie-jevu teoriju materijskih talasa ili valno-čestičnu dualnost.

Comptonov efekat

U fotoelektričnom efektu, svetlost udara na metal u formi snopa čestica koje se nazivaju fotoni. Energija jednog foton doprinosi radnoj funkciji jednog elektrona, kao i pruža kinetičku energiju tom emitovanom elektronu. Ovi fotoni predstavljaju čestično ponašanje svetlosti. Sir Albert Einstein je predložio da je svetlost kolektivni efekat ogromnog broja paketa energije nazvanih foton, gde svaki foton sadrži energiju hf. Gde je h Planckova konstanta, a f frekvencija svetlosti. Ovo je čestično ponašanje svetlosti. Čestično ponašanje svetlosti ili drugih elektromagnetskih talasa može se objasniti Comptonovim efektom.

U ovom eksperimentu, jedan X-zračni snop frekvencije fo i talasne dužine λo bio je incidenatan na elektron. Nakon udara incidenatnog X-zraka na elektron, otkriveno je da i elektron i incidenatni X-zrak rasipaju se pod različitim uglom u odnosu na osu incidenatnog X-zraka. Ovaj sudar poštuje princip očuvanja energije, kao i sudar Newtonovih čestica. Otkriveno je da nakon sudara elektron ubrzava u određenom smeru, a incidenatni X-zrak se difraktuje u drugom smeru, a takođe je uočeno da difraktovani zrak ima različitu frekvenciju i talasnu dužinu od incidenatnog X-zraka. Budući da se energija foton menja sa frekvencijom, može se zaključiti da incidenatni X-zrak gubi energiju tokom sudara, a frekvencija difraktovanog zraka je uvek manja od frekvencije incidenatnog X-zraka. Ova izgubljena energija X-zračnog foton doprinosi kinetičkoj energiji za kretanje elektrona. Ovaj sudar X-zraka ili njegovog foton i elektrona je sličan sudaru Newtonovih čestica, poput biljarških loptica.

Energija foton je data sa

Stoga se moment foton može dokazati kao

Što se može napisati kao,

Iz jednačine (1) može se zaključiti da elektromagnetski talas sa talasnom dužinom λ ima foton sa momentom p.
Iz jednačine (2) može se zaključiti da delac sa momentom p ima povezanu talasnu dužinu λ. To znači da talas ima čestične karakteristike, a delac tokom kretanja takođe pokazuje valno ponašanje.

Kao što smo već rekli, ovaj zaključak je prvi put izveo De Broglie, stoga se ovo naziva De Broglie-jeva hipoteza. Kako se talasna dužina kretanja čestice izražava kao

Gde je p moment, h Planckova konstanta, a talasna dužina λ se naziva De Broglie-jeva talasna dužina. De Broglie je objasnio da, kako elektroni kruže oko jezgra, oni će imati i valno ponašanje uz svoje čestične karakteristike.

Davisson i Germerov eksperiment

Valna priroda elektrona može se dokazati i uspostaviti na mnogo različitih načina, ali najpoznatiji eksperiment je Davisson i Germerov eksperiment iz 1927. godine. U ovom eksperimentu su koristili snop ubrzanih elektrona koji normalno udara na površinu bloka nikela. Oni su posmatrali raspodelu rasipanih elektrona nakon udara na blok nikela. Za tu svrhu su koristili monitor gustine elektrona. Iako se očekivalo da bi elektron trebao rasipati nakon sudara pod različitim uglom u odnosu na osu incidenatnog snopa elektrona, u stvarnom eksperimentu je otkriveno da je gustoća rasipanih elektrona bila veća pod određenim uglom nego pod drugim. Ova uglasta raspodela rasipanih elektrona je vrlo slična interferenciji difrakcije svetlosti. Stoga ovaj eksperiment jasno pokazuje postojanje valno-čestične dualnosti elektrona. Isti princip se može primeniti i na proton i neutron.

Izjava: Prijateljski odnos prema originalu, dobre članke vredne su deljenja, ukoliko dođe do kršenja autorskih prava, molim kontaktirati za brisanje.