Co to jest dualizm falowo-cząsteczkowy? Jest to cecha fotonów i innych cząstek subatomowych, które w pewnych warunkach zachowują się jak fale, a w innych jak cząstki.
Dualizm falowo-cząsteczkowy materii i światła jest ważną częścią mechaniki kwantowej, ponieważ najlepiej pokazuje, że pojęcia takie jak „fale” i „cząstki”, które dobrze sprawdzają się w mechanice klasycznej, nie są wystarczające, aby wyjaśnienia zachowania niektórych obiektów kwantowych.
Podwójna natura światła zyskała uznanie w fizyce po 1905 roku, kiedy Albert Einstein opisał zachowanie światła za pomocą fotonów, które zostały opisane jako cząstki. Następnie Einstein opublikował mniej znaną szczególną teorię względności, w której światło opisał jako zachowanie falowe.
Cząstki wykazujące podwójne zachowanie
Najlepsze ze wszystkich, zasada dualizmu falowo-cząsteczkowegoobserwowane w zachowaniu fotonów. Są to najlżejsze i najmniejsze obiekty wykazujące podwójne zachowanie. Wśród większych obiektów, takich jak cząstki elementarne, atomy, a nawet molekuły, można również zaobserwować elementy dualizmu falowo-cząsteczkowego, ale większe obiekty zachowują się jak fale niezwykle krótkie, więc bardzo trudno je zaobserwować. Zwykle pojęcia stosowane w mechanice klasycznej są wystarczające do opisania zachowania większych lub makroskopowych cząstek.
Dowody na dualność falowo-cząsteczkowa
Ludzie myśleli o naturze światła i materii od wielu stuleci, a nawet tysiącleci. Do niedawna fizycy uważali, że właściwości światła i materii muszą być jednoznaczne: światło może być albo strumieniem cząstek, albo falą, podobnie jak materia, albo składać się z pojedynczych cząstek, które całkowicie przestrzegają praw mechaniki newtonowskiej, albo być ciągłe, nierozłączne medium.
Początkowo, w czasach nowożytnych, popularna była teoria o zachowaniu światła jako strumienia pojedynczych cząstek, czyli teoria korpuskularna. Sam Newton trzymał się tego. Jednak późniejsi fizycy, tacy jak Huygens, Fresnel i Maxwell, doszli do wniosku, że światło jest falą. Wyjaśnili zachowanie światła oscylacją pola elektromagnetycznego, a oddziaływanie światła i materii w tym przypadku podlegało wyjaśnieniu klasycznej teorii pola.
Jednak na początku XX wieku fizycy stanęli przed faktem, że ani pierwsze, ani drugie wyjaśnienie nie możecałkowicie pokrywają obszar zachowania światła w różnych warunkach i interakcjach.
Od tego czasu liczne eksperymenty dowiodły dwoistości zachowania niektórych cząstek. Jednak na pojawienie się i akceptację dualizmu falowo-cząsteczkowego właściwości obiektów kwantowych szczególny wpływ miały pierwsze, najwcześniejsze eksperymenty, które położyły kres debacie na temat natury zachowania światła.
Efekt fotoelektryczny: światło składa się z cząstek
Efekt fotoelektryczny, zwany również efektem fotoelektrycznym, to proces oddziaływania światła (lub innego promieniowania elektromagnetycznego) z materią, w wyniku którego energia cząstek światła jest przenoszona na cząstki materii. Podczas badania efektu fotoelektrycznego zachowanie fotoelektronów nie mogło zostać wyjaśnione przez klasyczną teorię elektromagnetyczną.
Heinrich Hertz zauważył w 1887 roku, że świecenie ultrafioletem na elektrody zwiększyło ich zdolność do tworzenia iskier elektrycznych. Einstein w 1905 wyjaśnił efekt fotoelektryczny faktem, że światło jest pochłaniane i emitowane przez pewne porcje kwantowe, które początkowo nazwał kwantami światła, a następnie nazwał je fotonami.
Eksperyment Roberta Millikena w 1921 roku potwierdził ocenę Einsteina i doprowadził do tego, że ten ostatni otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie efektu fotoelektrycznego, a sam Millikan otrzymał Nagrodę Nobla w 1923 roku za pracę nad cząstkami elementarnymi oraz badanie efektu fotoelektrycznego.
Eksperyment Davissona-Jermera: światło jest falą
Doświadczenie Davissona – Germer potwierdzoneHipoteza de Broglie o dualizmie falowo-cząsteczkowym światła posłużyła jako podstawa do sformułowania praw mechaniki kwantowej.
Obaj fizycy badali odbicie elektronów od pojedynczego kryształu niklu. Układ, umieszczony w próżni, składał się z monokryształu niklu szlifowanego pod pewnym kątem. Wiązka elektronów monochromatycznych skierowana została bezpośrednio prostopadle do płaszczyzny cięcia.
Eksperymenty wykazały, że w wyniku odbicia elektrony są rozpraszane bardzo selektywnie, to znaczy we wszystkich odbitych wiązkach, niezależnie od prędkości i kątów, obserwuje się maksima i minima natężenia. W ten sposób Davisson i Germer eksperymentalnie potwierdzili obecność właściwości falowych w cząstkach.
W 1948 r. radziecki fizyk V. A. Fabrikant eksperymentalnie potwierdził, że funkcje falowe są nieodłącznie związane nie tylko z przepływem elektronów, ale także z każdym elektronem z osobna.
Eksperyment Junga z dwoma szczelinami
Praktyczny eksperyment Thomasa Younga z dwiema szczelinami pokazuje, że zarówno światło, jak i materia mogą wykazywać właściwości zarówno fal, jak i cząstek.
Eksperyment Junga praktycznie demonstruje naturę dualizmu falowo-cząsteczkowego, mimo że po raz pierwszy przeprowadzono go na początku XIX wieku, jeszcze przed pojawieniem się teorii dualizmu.
Istota eksperymentu jest następująca: źródło światła (na przykład wiązka lasera) jest kierowane na płytkę, na której wykonane są dwie równoległe szczeliny. Światło przechodzące przez szczeliny odbija się na ekranie za płytą.
Falowa natura światła powoduje, że fale świetlne przechodzą przez szczeliny domieszać, tworząc jasne i ciemne smugi na ekranie, które nie miałyby miejsca, gdyby światło zachowywało się jak cząsteczki. Jednak ekran pochłania i odbija światło, a efekt fotoelektryczny jest dowodem na korpuskularny charakter światła.
Co to jest dwoistość falowo-cząsteczkowa materii?
Pytanie, czy materia może zachowywać się w tej samej dwoistości co światło, podjął de Broglie. Ma śmiałą hipotezę, że w pewnych warunkach iw zależności od eksperymentu nie tylko fotony, ale także elektrony mogą wykazywać dualizm falowo-cząsteczkowy. Broglie rozwinął swoją koncepcję fal prawdopodobieństwa nie tylko fotonów światła, ale także makrocząstek w 1924 roku.
Kiedy hipoteza została udowodniona przy użyciu eksperymentu Davissona-Germera i powtórzeniu eksperymentu Younga z podwójną szczeliną (z elektronami zamiast fotonów), de Broglie otrzymał Nagrodę Nobla (1929).
Okazuje się, że w odpowiednich okolicznościach materia może zachowywać się jak klasyczna fala. Oczywiście duże obiekty tworzą fale tak krótkie, że ich obserwowanie nie ma sensu, ale mniejsze obiekty, takie jak atomy, a nawet molekuły, wykazują zauważalną długość fali, co jest bardzo ważne dla mechaniki kwantowej, która praktycznie opiera się na funkcjach falowych.
Znaczenie dualizmu falowo-cząsteczkowego
Główne znaczenie koncepcji dualizmu falowo-cząsteczkowego polega na tym, że zachowanie promieniowania elektromagnetycznego i materii można opisać za pomocą równania różniczkowego,który reprezentuje funkcję falową. Zwykle jest to równanie Schrödingera. Umiejętność opisywania rzeczywistości za pomocą funkcji falowych leży u podstaw mechaniki kwantowej.
Najczęstszą odpowiedzią na pytanie, czym jest dualność fala-cząstka, jest to, że funkcja falowa reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia określonej cząstki w określonym miejscu. Innymi słowy, prawdopodobieństwo, że cząstka znajdzie się w przewidywanym miejscu, czyni z niej falę, ale jej fizyczny wygląd i kształt nie.
Co to jest dualizm falowo-cząsteczkowy?
Podczas gdy matematyka, choć w niezwykle złożony sposób, dokonuje dokładnych przewidywań na podstawie równań różniczkowych, znaczenie tych równań dla fizyki kwantowej jest znacznie trudniejsze do zrozumienia i wyjaśnienia. Próba wyjaśnienia, czym jest dualizm falowo-cząsteczkowy, jest nadal w centrum debaty w fizyce kwantowej.
Praktyczne znaczenie dualizmu falowo-cząsteczkowego polega również na tym, że każdy fizyk musi nauczyć się postrzegać rzeczywistość w bardzo interesujący sposób, podczas gdy myślenie o prawie każdym obiekcie w zwykły sposób nie wystarcza już do odpowiedniej percepcji rzeczywistości.
