Принцип двійності хвильово-часткової природи

З розвитком фотоелектричного ефекту, ефекту Кромптона та моделі атома Бора, ідея про те, що світло або, зокрема, радіація взагалі, складається з частинок або дискретних квантів, набувала широкого поширення.
Проте добре встановлений принцип Гюйгенса та результати дослідів з подвійної шлітки Янга чітко показали, що світло є хвилею, а не потоком частинок.

Помітний інтерференційний патерн, спостеріганий при проходженні світла через подвійну шлітку, безумовно, був результатом хвильової природи світла. Це знову породило контроверзі щодо природи світла. У 1704 році Ньютон також запропонував частинкову природу світла своєю корпускулярною теорією.

Жодна з двох теорій не була достатньою для пояснення всіх явищ, пов'язаних со світлом. Тому вчені почали висловлювати думку, що світло має як хвильову, так і частинкову природу. У 1924 році французький фізик Луї де Бройль запропонував теорію. Він запропонував, що всі частинки у цьому всесвіті мають хвильову природу, тобто все в цьому світі, чи то малий фотон, чи великий слон, має пов'язану з собою хвилю, незалежно від того, помітна вона чи ні. Він призначив довжину хвилі кожному матеріалу з масою m та імпульсом p як

Де h — стала Планка, p = mv, v — швидкість тіла.

Таким чином, через велику масу слона він має значний імпульс, а отже, дуже малу довжину хвилі, яку ми не можемо помітити. Проте малі частинки, такі як електрони, мають дуже малу масу, а отже, дуже помітну довжину хвилі або хвильову природу. Ця теорія де Бройля також допомагає нам пояснити дискретне існування орбіт у моделі атома Бора. Електрон буде існувати на орбіті, якщо її довжина дорівнює цілочисельному кратному його природній довжині хвилі, якщо він не може завершити свою довжину хвилі, то така орбіта не існуватиме.

Подальші розробки Девіссона та Гермера щодо дифракції електронів від кристалу та схожий інтерференційний патерн, отриманий після обстрілу подвійної шлітки електронами, посилили теорію хвиль матерії де Бройля або теорію двійственности хвилі-частинки.

Ефект Комптона

У фотоелектричному ефекті світло ударяє в металеву поверхню у вигляді потоку частинок, відомих як фотони. Енергія одного фотону забезпечує робочу функцію одного електрона, а також надає кінетичну енергію випроміненому електрону. Ці фотони є частиною поведінки світлових хвиль. Сір Альберт Ейнштейн запропонував, що світло є колективним ефектом великої кількості енергетичних пакетів, відомих як фотони, де кожен фотон містить енергію hf. Де h — стала Планка, f — частота світла. Це є частиною поведінки світлових хвиль. Частиною поведінки світлових хвиль або інших електромагнітних хвиль можна пояснити ефектом Комптона.

У цьому експерименті, один промінь рентгенівського випромінювання з частотою fo та довжиною хвилі λo був направлений на електрон. Після удару електрону інцидентним рентгенівським променем було виявлено, що електрон та інцидентний рентгенівський промінь розсіювалися під різними кутами відносно осі інцидентного рентгенівського променя. Цей зіткнення відповідає принципу збереження енергії, як і зіткнення ньютонівських частинок. Було виявлено, що після зіткнення електрон ускладнюється в певному напрямку, а інцидентний рентгенівський промінь розсіюється в інший напрямок, і було також спостерігалося, що розсіяний промінь має різну частоту та довжину хвилі відносно інцидентного рентгенівського променя. Оскільки енергія фотону змінюється з частотою, можна висловити думку, що інцидентний рентгенівський промінь втрачає енергію під час зіткнень, і частота розсіяного променя завжди менша, ніж інцидентного рентгенівського променя. Ця втрачена енергія фотона рентгенівського променя сприяє кінетичній енергії для руху електрона. Це зіткнення рентгенівського променя або його фотону з електроном подібне до зіткнення ньютонівських частинок, таких як більярдні кулі.

Енергія фотону визначається як

Отже, імпульс фотону можна довести як

Що можна записати як,

З рівняння (1) можна висловити, що електромагнітна хвиля з довжиною хвилі λ матиме фотон з імпульсом p.
З рівняння (2) можна висловити, що частинка з імпульсом p пов'язана з довжиною хвилі λ. Це означає, що хвиля має частинкові характеристики, а частинка на русі також демонструє хвильову поведінку.

Як ми вже сказали, цей висновок був зроблений вперше де Бройлем, тому це відомо як гіпотеза де Бройля. Оскільки довжина хвилі рухомої частинки виражається як

Де p — імпульс, h — стала Планка, а довжина хвилі λ називається довжиною хвилі де Бройля. Де Бройль пояснив, що, коли електрони обертаються навколо ядра, вони також мають хвильову поведінку разом зі своїми частинковими характеристиками.

Експеримент Девіссона та Гермера

Хвильова природа електрону може бути доведена та установлена багатьма різними способами, але найпопулярнішим експериментом був експеримент Девіссона та Гермера у 1927 році. У цьому експерименті вони використовували промінь прискорених електронів, який зазвичай ударяє в поверхню блоку нікелю. Вони спостерігали за патерном розсіяних електронів після удару в блок нікелю. Для цього вони використовували монітор густини електронів. Хоча очікувалося, що електрони повинні бути розсіяними після зіткнення під різними кутами відносно осі інцидентного променя електронів, але в реальному експерименті було виявлено, що густина розсіяних електронів була більшою під певними кутами, ніж іншими. Це кутове розподілення розсіяних електронів дуже схоже на інтерференцію, що характерна для дифракції світла. Тому цей експеримент чітко показує існування двійственности хвилі-частинки електронів. Цей самий принцип можна застосувати до протонів та нейтронів.

Заява: Поважайте оригінал, хороші статті варто поширювати, якщо є порушення авторських прав, будь ласка, зверніться для видалення.