Nguyên lý song tính sóng hạt

Với sự phát triển của Hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Crompton và Mô hình nguyên tử Bohr, ý tưởng về ánh sáng hoặc thực tế là các bức xạ nói chung, được tạo thành từ các hạt hoặc Quanta rời rạc đang trở nên phổ biến rộng rãi.
Tuy nhiên, nguyên lý Huygen đã được xác lập và kết quả của thí nghiệm khe đôi Young đã làm rõ rằng ánh sáng là sóng chứ không phải dòng hạt.

Mô hình nhiễu loạn đáng chú ý được quan sát khi đưa ánh sáng qua hai khe chắc chắn là kết quả của bản chất sóng của ánh sáng. Điều này lại gây ra tranh cãi về bản chất của ánh sáng. Năm 1704, Newton cũng đã đề xuất bản chất hạt của ánh sáng thông qua lý thuyết corpuscular của ông.

Không có lý thuyết nào trong hai lý thuyết này đủ khả năng giải thích tất cả các hiện tượng liên quan đến ánh sáng. Do đó, các nhà khoa học bắt đầu kết luận rằng ánh sáng có cả bản chất sóng và hạt. Năm 1924, một nhà vật lý người Pháp, Louis de Broglie đã đưa ra một lý thuyết. Ông đề xuất rằng tất cả các hạt trong vũ trụ đều có bản chất sóng, tức là mọi thứ trên thế giới, dù là photon nhỏ hay voi lớn, đều có một sóng liên kết với nó, mặc dù bản chất sóng có thể nhận thấy hay không. Ông gán một bước sóng cho mỗi vật có khối lượng m và động lượng p như sau

Trong đó, h là hằng số Planck và p = mv, v là vận tốc của vật.

Do khối lượng rất lớn của voi, nó có động lượng rất đáng kể và do đó có bước sóng rất nhỏ, mà chúng ta không thể nhận thấy. Tuy nhiên, các hạt nhỏ như electron, v.v. có khối lượng rất nhỏ và do đó có bước sóng hoặc bản chất sóng rất đáng chú ý. Lý thuyết của de Broglie cũng giúp chúng ta giải thích sự tồn tại rời rạc của các quỹ đạo trong mô hình nguyên tử Bohr. Electron sẽ tồn tại trong một quỹ đạo nếu chiều dài của nó bằng bội số nguyên của bước sóng tự nhiên, nếu nó không thể hoàn thành bước sóng thì quỹ đạo đó sẽ không tồn tại.

Các phát triển tiếp theo của Davisson và Germer về nhiễu xạ electron từ tinh thể và mẫu nhiễu loạn tương tự thu được sau khi bắn phá khe đôi bằng electron đã củng cố lý thuyết sóng hạt của de Broglie hoặc lý thuyết song trùng của sóng và hạt.

Hiệu ứng Compton

Trong hiệu ứng quang điện, ánh sáng đánh vào kim loại dưới dạng chùm hạt gọi là photon. Năng lượng của một photon đóng góp năng lượng làm việc cho một electron cũng như cung cấp năng lượng động cho electron đó. Những photon này là hành vi giống hạt của sóng ánh sáng. Sir Albert Einstein đề xuất rằng ánh sáng là hiệu ứng tổng hợp của số lượng lớn gói năng lượng gọi là photon, trong đó mỗi photon chứa năng lượng hf. Trong đó h là hằng số Planck và f là tần số của ánh sáng. Đây là hành vi giống hạt của sóng ánh sáng. Hành vi giống hạt của sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ khác có thể được giải thích bằng hiệu ứng Compton.

Trong thí nghiệm này, một tia X có tần số fo và bước sóng λo chiếu vào một electron. Sau khi tia X chiếu vào electron, người ta phát hiện rằng electron và tia X đều bị tán xạ ở hai góc khác nhau so với trục của tia X chiếu. Sự va chạm này tuân theo nguyên tắc bảo toàn năng lượng giống như va chạm của các hạt Newton. Người ta phát hiện rằng sau va chạm, electron được tăng tốc theo một hướng cụ thể và tia X chiếu bị tán xạ theo một hướng khác, và cũng quan sát thấy rằng tia tán xạ có tần số và bước sóng khác so với tia X chiếu. Vì năng lượng của photon thay đổi theo tần số, có thể kết luận rằng tia X mất năng lượng trong quá trình va chạm và tần số của tia tán xạ luôn nhỏ hơn tần số của tia X chiếu. Năng lượng mất đi của photon tia X đóng góp năng lượng động cho chuyển động của electron. Sự va chạm giữa tia X hoặc photon và electron giống như va chạm giữa các hạt Newton như bóng bi-a.

Năng lượng của photon được biểu diễn bởi

Do đó, động lượng của photon có thể chứng minh là

Có thể viết lại như sau,

Từ phương trình (1), có thể kết luận rằng sóng điện từ có bước sóng λ sẽ có photon có động lượng p.
Từ phương trình (2), có thể kết luận rằng hạt có động lượng p liên kết với bước sóng λ. Điều này có nghĩa là sóng có đặc tính giống hạt, hạt khi di chuyển cũng thể hiện hành vi giống sóng.

Như chúng ta đã nói, kết luận này lần đầu tiên được rút ra bởi De Broglie và do đó được biết đến là giả thuyết De Broglie. Bước sóng của hạt chuyển động được biểu diễn như sau

Trong đó, p là động lượng, h là hằng số Planck và bước sóng λ được gọi là bước sóng De Broglie. De Broglie giải thích rằng khi electron quay xung quanh nhân, nó cũng sẽ có hành vi giống sóng cùng với đặc tính giống hạt.

Thí nghiệm Davisson và Germer

Bản chất sóng của electron có thể được chứng minh và thiết lập theo nhiều cách khác nhau, nhưng thí nghiệm nổi tiếng nhất là thí nghiệm Davisson và Germer vào năm 1927. Trong thí nghiệm này, họ sử dụng một chùm electron được gia tốc thường xuyên chiếu lên bề mặt khối nickel. Họ quan sát mô hình của electron tán xạ sau khi chiếu lên khối nickel. Họ sử dụng bộ giám sát mật độ electron cho mục đích này. Mặc dù dự kiến rằng electron nên bị tán xạ sau va chạm ở các góc khác nhau so với trục của chùm electron chiếu, nhưng trong thực nghiệm, người ta phát hiện rằng mật độ của electron tán xạ cao hơn ở một số góc cụ thể so với các góc khác. Mô hình phân bố góc của electron tán xạ rất giống với nhiễu loạn của nhiễu xạ ánh sáng. Do đó, thí nghiệm này rõ ràng cho thấy sự tồn tại của song trùng sóng và hạt của electron. Nguyên tắc tương tự có thể áp dụng cho proton và neutron.

Lời tuyên bố: Hãy tôn trọng các bài viết gốc, nếu có vi phạm bản quyền xin hãy liên hệ để xóa.