Prinsipyong Duality ng Wave at Particle

Sa pag-unlad ng Photoelectric effect, Crompton’s effect at Bohr’s model of atom, ang ideya na ang liwanag o kahit anong uri ng radiasyon ay binubuo ng mga partikulo o diskretong Quanta ay naging malawak na popular. Gayunpaman, ang napakahalagang Huygen’s Principle at ang mga resulta ng eksperimento ng double slit ni Young ay nagpaliwanag na ang liwanag ay isang alon at hindi isang daloy ng mga partikulo.

Ang napakalinaw na pattern ng interference na natuklasan sa pagsasapaso ng liwanag sa pamamagitan ng double slits ay talagang resulta ng wave nature ng liwanag. Ito muli ay nagdulot ng kontrobersiya tungkol sa natura ng liwanag. Noong 1704, inisip din ni Newton ang particle nature ng liwanag sa pamamagitan ng kanyang corpuscular theory.

Walang sa dalawang teorya ang sapat para ipaliwanag ang lahat ng mga phenomena na may kaugnayan sa liwanag. Kaya naman, nagsimula ang mga siyentipiko na humantong sa isang konklusyon na ang liwanag ay may parehong wave at particle nature. Noong 1924, isang French physicist na si Louis de Broglie ay naglabas ng isang teorya. Inisip niya na ang lahat ng mga partikulo sa uniberso ay may kasamang wave nature, i.e. ang bawat bagay sa mundo, mula sa maliit na photon hanggang sa malaking elepante, lahat ay may kasamang alon, iba lang ang kwestiyon kung makikitang maingay o hindi. Inatasan niya ang bawat matter na may masa m at momentum p na

Kung saan, h ay Planck constant at p = mv, v ang velocity ng katawan.

Dahil sa napakalaking masa ng elepante, ito ay may napakalaking momentum at kaya may napakaliit na wavelength, na hindi natin nakikita. Gayunpaman, ang maliit na mga partikulo tulad ng electrons, etc. ay may napakaliit na masa at kaya may napakalinaw na wavelength o wave nature. Ang teorya ni de Broglie ay nagtulong rin sa amin upang ipaliwanag ang discrete existence ng orbits sa Bohr’s model of atom. Ang electron ay magiging umiiral sa isang orbit kung ang haba nito ay katumbas ng integral multiple ng natural wavelength nito, kung hindi ito makakumpleto ang wavelength nito, wala ang orbit na iyon.

Ang mga pag-unlad pa ng Davisson at Germer ng electron diffraction mula sa isang crystal at ang kaparehong interference pattern na natuklasan pagkatapos ng bombarding ng double slit ng electrons ay nagpalakas ng matter wave theory ni de Broglie o ang wave particle duality theory.

Compton Effect

Sa photoelectric effect, ang liwanag ay tumatakbong beam ng mga partikulo na tinatawag na photons. Ang enerhiya ng isang photon ay nagbibigay ng work function energy ng isang electron at nagbibigay din ng kinetic energy sa emitted electron. Ang mga photons ay ang particle-like behavior ng light wave. Si Sir Albert Einstein ang nagpropose na ang liwanag ay ang collective effect ng malaking bilang ng energy packets na tinatawag na photon kung saan bawat photon ay naglalaman ng enerhiya ng hf. Kung saan h ay Planck constant at f ang frequency ng liwanag. Ito ay isang particle-like behavior ng light wave. Ang particle-like behavior ng light-wave o iba pang electromagnetic wave ay maaaring ipaliwanag ng Compton effect.

Sa eksperimentong ito, isang x ray beam ng frequency fo at wavelength λo ay incident sa isang electron. Pagkatapos ng pagtama ng electron sa incident x-ray, natuklasan na ang electron at incident x-ray ay scattered sa dalawang iba't ibang anggulo sa axis ng incident x-ray. Ang collision na ito ay sumunod sa energy conservation principle tulad ng collision ng Newtonian’s particles. Natuklasan na pagkatapos ng collision, ang electron ay lumikas sa isang tiyak na direksyon at ang incident x-ray ay diffracted sa isa pang direksyon at natuklasan din na ang diffracted ray ay may ibang frequency at wavelength kaysa sa incident x-ray. Dahil ang enerhiya ng photon ay nag-iiba depende sa frequency, maaaring masabi na ang incident x-ray ay nawalan ng enerhiya sa panahon ng collision at ang frequency ng diffracted ray ay laging mas mababa kaysa sa incident x-ray. Ang nawalang enerhiya ng x-ray photon ay nagbibigay ng kinetic energy para sa movement ng electron. Ang collision ng x-ray o kanyang photon at electron ay parang collision ng Newtonian’s particles tulad ng Billboard balls.

Ang enerhiya ng photon ay ibinigay ng

Kaya ang momentum ng photon ay maaaring mapatunayan na

Na maaaring isulat bilang,

Mula sa equation (1), maaaring masabi na ang electromagnetic wave na may wavelength λ ay may photon na may momentum p.
Mula sa equation (2), maaaring masabi na ang partikulo na may momentum p ay may kasamang wavelength λ. Ibig sabihin, ang wave ay may particle-like characteristics, ang partikulo sa paggalaw ay nagpapakita rin ng wave-like behavior.

Tulad ng sinabi namin, ang konklusyon na ito ay unang inilathala ni De Broglie at kaya ito ay kilala bilang De Broglie hypothesis. Dahil ang wavelength ng moving particle ay inilathala bilang

Kung saan, p ang momentum, h ang Planck constant at wavelength λ ay tinatawag na De Broglie’s wavelength. Inipaliwanag ni De Broglie na habang ang electrons ay orobiting sa paligid ng nucleus, ito ay magkakaroon din ng wave-like behavior kasama ang kanyang particle-like characteristics.

Divission and Germer Experiment

Ang wave nature ng electron ay maaaring mapatunayan at itatag sa maraming paraan, ngunit ang pinaka-popular na eksperimento ay ang Divission and Germer noong taong 1927. Sa eksperimentong ito, ginamit nila ang beam ng accelerated electrons na normal na tumatakbong sa surface ng isang nickel block. Naitala nila ang pattern ng scattered electrons pagkatapos ng pagtama sa nickel block. Ginamit nila ang electron density monitor para sa layuning ito. Inaasahan na ang electron ay magiging scattered pagkatapos ng collision sa iba't ibang anggulo sa axis ng incident electron beam, ngunit sa aktwal na eksperimento, natuklasan na ang densidad ng scattered electrons ay mas mataas sa tiyak na anggulo kaysa sa iba. Ang angular distribution ng scattered electrons ay malapit sa interference pattern ng light diffraction. Kaya ang eksperimentong ito ay malinaw na nagpapakita ng wave particle duality ng electrons. Ang parehong prinsipyong ito ay maaaring ilapat sa proton at neutrons din.

Pahayag: Respetuhin ang orihinal, mga magandang artikulo na karapat-dapat na ibahagi, kung may paglabag sa karapatan ay pakiusap ilipat sa pagsunsod.