Våg-Partikel Dualitetsprincip

Med utvecklingen av fotoelektrisk effekt, Cromptons effekt och Bohrs atommodell, idén om att ljus eller i själva verket strålning generellt, består av partiklar eller diskreta kvant fann allt större popularitet.
Men Huygens princip och Youngs dubbelklövsexperiment visade tydligt att ljus var en våg och inte en flöde av partiklar.

Det frappanta interferensmönstret som observerades genom att låta ljus passera genom dubbla klövar var definitivt ett resultat av ljusets vågegenskaper. Detta gav upphov till kontroversen om ljusets natur. 1704 föreslog Newton också partikeleget för ljus med sin korpuskelteori.

Ingen av de två teorierna var tillräckliga för att förklara alla fenomen som kopplats till ljus. Således började forskare dra slutsatsen att ljus har både våg- och partikelegenskaper. 1924 kom den franske fysikern Louis de Broglie med en teori. Han föreslog att alla partiklar i universum är associerade med vågegenskaper, det vill säga allt i världen, oavsett om det är en liten foton eller en jättelefant, har en associativ våg, det är en annan sak om vågegenskapen är märkbar eller ej. Han tilldelade en våglängd till varje materie med massa m och rörelsemängd p som

Där h är Plancks konstant och p = mv, v är kroppens hastighet.

På grund av elefantens enorma massa har den en mycket betydande rörelsemängd och därför en mycket liten våglängd, vilket vi inte kan notera. Små partiklar som elektroner har emellertid en mycket liten massa och därför en mycket märkbar våglängd eller vågegenskap. Denna teori av de Broglie hjälper oss också att förklara den diskreta existensen av banor i Bohrs atommodell. Ett elektron kommer att finnas i en bana om dess längd är lika med ett heltals multipel av dess naturliga våglängd, om det inte kan slutföra sin våglängd så kommer den banan inte att existera.

Framsteg gjorda av Davisson och Germer i form av elektroners diffraction från ett kristall och ett liknande interferensmönster efter bombardering av en dubbelklöv med elektroner stärkte de Broglies materievågteori eller våg-partikel dualitet teori.

Comptoneffekten

I fotoelektriska effekten träffar ljuset en metall i form av en stråle av partiklar kallade fotoner. Energien av ett foton bidrar till arbetsfunktionen för ett elektron samt ger kinetisk energi till det utsläppta elektron. Dessa fotoner är partikel-lika egenskaper hos ljusvågen. Sir Albert Einstein föreslog att ljus är det kollektiva effekten av ett stort antal energipaket kallade fotoner där varje foton innehåller energi av hf. Där h är Plancks konstant och f är ljusets frekvens. Detta är en partikel-lika beteende hos ljusvåg. Partikel-lika beteende hos ljusvåg eller andra elektromagnetiska vågor kan förklaras av Comptoneffekten.

I detta experiment var en röntgenstråle av frekvens fo och våglängd λo incident på ett elektron. Efter att ha träffat elektronen av incident röntgenstrålen upptäcktes det att både elektronen och incident röntgenstrålen skingrades i två olika vinklar i förhållande till axeln av incident röntgenstrålen. Denna kollision följer energikonversationens princip precis som kollision av Newtonska partiklar. Det upptäcktes att efter kollisionen fick elektronen acceleration i en viss riktning och incident röntgenstrålen diffraktades i en annan riktning och det observerades också att diffrakterad stråle hade en annan frekvens och våglängd än incident röntgenstrålen. Eftersom fotons energi varierar med frekvens kan man dra slutsatsen att incident röntgenfoton förlorar energi under kollisioner och frekvensen av diffrakterad stråle är alltid mindre än incident röntgenstrålen. Denna förlorade energi av röntgenfoton bidrar till kinetisk energi för elektronens rörelse. Denna kollision mellan röntgenstråle eller dess foton och elektron är som till Newtonska partiklar som biljardbollar.

Energien hos foton ges av

Därför kan fotonens rörelsemängd bevisas som

Vilket kan skrivas som,

Från ekvation (1) kan man dra slutsatsen att en elektromagnetisk våg med våglängd λ kommer att ha foton med rörelsemängd p.
Från ekvation (2) kan man dra slutsatsen att en partikel med rörelsemängd p är associerad med våglängd λ. Det innebär att våg har partikel-lika egenskaper, partikeln vid rörelse visar också våg-lika beteende.

Som vi redan sagt, drogs denna slutsats först av De Broglie och därför kallas detta för De Broglies hypotes. Som den flytande partikelns våglängd uttrycks som

Där p är rörelsemängden, h är Plancks konstant och våglängden λ kallas för De Broglies våglängd. De Broglie förklarade att när elektronerna cirkulerar runt kärnan kommer de också att visa våg-lika beteende tillsammans med sina partikel-lika egenskaper.

Davisson och Germers experiment

Elektronens vågegenskap kan bevisas och fastställas på många olika sätt men det mest populära experimentet är Davisson och Germers experiment år 1927. I detta experiment använde de en stråle av accelererade elektroner som normalt träffar ytan av en nikkelblock. De observerade mönstret av skingrade elektroner efter att ha träffat nikkelblocket. De använde en elektron densitetsmonitor för detta ändamål. Trots att det förväntades att elektronerna skulle skingras efter kollision i olika vinklar i förhållande till axeln av den incidenta elektronstrålen, fanns det i det faktiska experimentet att tätheten av skingrade elektroner var mer vid vissa vinklar än andra. Detta vinkelutdelning av skingrade elektroner är mycket likt interferensen av ljusdiffraction. Således visar detta experiment tydligt på existensen av våg-partikel dualitet hos elektroner. Samma princip kan appliceras på protoner och neutroner också.

Utrop: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värda att dela, om det finns upphovsrättsskydd så kontakta för att ta bort.