Co to jest dualizm cząsteczkowo-falowy: definicja, właściwości

Co to jest dualizm korpuskularno-falowy wyjaśnienie? Jest to cecha fotonów i innych cząstek subatomowych, które w pewnych warunkach zachowują się jak fale, a w innych jak cząstki.

Korpuskularno-falowy dualizm materii i światła to ważna część mechanika kwantowa, ponieważ dzięki niej najlepszy wykazuje fakt, że pojęcia takie jak "fale" i "cząstki", które sprawdzają się w mechanice klasycznej, są niewystarczające do wyjaśnienia zachowania niektórych obiektów kwantowych.

Dwoista natura światła zyskała uznanie w fizyce po 1905 roku, kiedy to Albert Einstein opisał zachowanie światła za pomocą fotonów, które zostały opisane jako cząstki. Einstein opublikował wtedy mniej znaną szczególną teorię względności, w której światło zostało opisane przez zachowanie fal.

Cząstki wykazujące zachowanie dualistyczne

Zasada dualizmu korpuskularno-falowego jest najlepiej widoczna w zachowaniu fotonów. Są to najlżejsze i najmniejsze obiekty wykazujące podwójne zachowanie. Wśród większych obiektów, takich jak cząstki elementarne, atomy, a nawet molekuły, również można zaobserwować elementy dualizmu korpuskularno-falowego, ale większe obiekty zachowują się jak fale o niezwykle krótkiej długości, więc są bardzo trudne do zaobserwowania. pojęcia stosowane w mechanice klasycznej do opisu zachowania większych lub makroskopowych cząstek są zwykle wystarczające.

Dowód dualizmu korpuskularno-falowego

Ludzie zastanawiali się nad naturą światła i materii przez wieki, a nawet tysiąclecia. Jeszcze stosunkowo niedawno fizycy zakładali, że cechy światła i materii muszą być jednoznaczne: światło mogło być albo strumieniem cząstek, albo falą, podobnie jak materia, albo składająca się z pojedynczych cząstek w pełni przestrzegających praw mechaniki newtonowskiej, albo ciągłym, niepodzielnym ośrodkiem.

Początkowo w Nowym Czasie popularna była teoria o zachowaniu się światła jako przepływu pojedynczych cząstek, czyli teoria korpuskularna. Trzymał go sam Newton. Jednak późniejsi fizycy, tacy jak Huygens, Fresnel i Maxwell, doszli do wniosku, że światło jest falą. Wyjaśniali zachowanie światła fluktuującym polem elektromagnetycznym, a oddziaływanie światła i materii w tym przypadku mieściło się w wyjaśnieniu klasycznej teorii pola.

Jednak na początku XX wieku fizycy zdali sobie sprawę, że ani pierwsze, ani drugie wyjaśnienie nie może całkowicie objąć zachowania światła w różnych warunkach i oddziaływaniach.

Od tego czasu liczne eksperymenty udowodniły dualistyczne zachowanie niektórych cząstek. Szczególny wpływ na powstanie i akceptację własności dualizmu korpuskularno-falowego obiektów kwantowych miały jednak pierwsze, najwcześniejsze eksperymenty, które położyć temu kres w debacie na temat natury zachowania światła.

Efekt fotoelektryczny: światło składa się z cząsteczek

Efekt fotoelektryczny, nazywany również efektem fotoelektrycznym, to proces oddziaływania światła (lub innego promieniowania elektromagnetycznego) z materią, w wyniku którego energia cząstek światła jest przekazywana cząstkom materii. Podczas badania efektu fotoelektrycznego okazało się, że zachowanie fotoelektronów nie może być wyjaśnione przez klasyczną teorię elektromagnetyczną.

Heinrich Hertz już w 1887 roku zauważył, że skierowanie światła ultrafioletowego na elektrody zwiększa ich zdolność do tworzenia iskier elektrycznych. W 1905 roku Einstein wyjaśnił efekt fotoelektryczny mówiąc, że światło jest absorbowane i emitowane w określonych porcjach kwantowych, które początkowo nazwał kwantami światła, a później ochrzcił fotonami.

Eksperyment Roberta Millikena w 1921 roku potwierdził osąd Einsteina i doprowadził do, że ten ostatni otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie efektu fotoelektrycznego, a sam Milliken otrzymał ją w 1923 roku za pracę nad cząstkami elementarnymi i badanie efektu fotoelektrycznego.

Eksperyment Davissona-Jermera: światło jest falą

Eksperyment Davissona-Jermera potwierdził przypuszczenie de Broglie`a o korpuskularno-falowym dualizmie światła i stał się podstawą praw mechaniki kwantowej.

Obaj fizycy badali odbicie elektronów od pojedynczego kryształu niklu. Aparat, umieszczony w próżni, składał się z monokryształu niklu szlifowanego pod określonym kątem. Bezpośrednio prostopadle do płaszczyzny plastra skierowano wiązkę monochromatycznych elektronów.

Eksperymenty wykazały, że w wyniku odbicia elektrony rozpraszają się bardzo selektywnie, tzn. we wszystkich promieniach odbitych, niezależnie od prędkości i kątów, obserwuje się maksima i minima intensywności. W ten sposób Davisson i Germer doświadczalnie udowodnili istnienie falowych własności cząstek.

W 1948 roku radziecki fizyk V. А. Fabrikant udowodnił doświadczalnie, że funkcje falowe są nieodłączne nie tylko od przepływu elektronów, ale i każdego elektronu z osobna.

Eksperyment Younga z dwiema szczelinami

Praktyczny eksperyment Thomasa Junga z dwiema szczelinami jest demonstracją, że zarówno światło jak i materia mogą wykazywać cechy zarówno fal jak i cząstek.

Eksperyment Junga praktycznie pokazuje naturę dualizmu korpuskularno-falowego, pomimo tego, że został przeprowadzony na początku XIX wieku, zanim pojawiła się teoria dualizmu.

Istota eksperymentu jest następująca: źródło światła (np. wiązka laserowa) jest skierowane na płytkę z dwiema równoległymi szczelinami. Światło przechodzące przez szczeliny jest odbijane na ekranie znajdującym się za płytą.

Falowa natura światła powoduje, że fale świetlne przechodzące przez szczeliny mieszają się, tworząc na ekranie jasne i ciemne pasma, co nie miałoby miejsca, gdyby światło zachowywało się wyłącznie jako cząstki. Ale ekran pochłania i odbija światło, a efekt fotoelektryczny jest dowodem na korpuskularną naturę światła.

Co to jest korpuskularno-falowy dualizm materii wyjaśnienie?

Pytanie, czy materia może zachowywać się w taki sam dualny sposób jak światło, zostało podjęte przez de Broglie`a. Należy do śmiałej hipotezy, że w pewnych warunkach i w zależności od eksperymentu, nie tylko fotony, ale i elektrony mogą wykazywać korpuskularno-falowy dualizm. Broglie rozwinął swoją ideę fal prawdopodobieństwa nie tylko dla fotonów światła, ale także dla makrocząstek w 1924 roku.

Gdy hipoteza została udowodniona przez eksperyment Davissona-Jermera oraz przez powtórzenie eksperymentu Junga z dwiema szczelinami (z elektronami zamiast fotonów), de Broglie otrzymał Nagrodę Nobla (1929).

Okazuje się, że materia może również zachowywać się zachowują się jak.. klasyczna fala w odpowiednich okolicznościach. Oczywiście duże obiekty wytwarzają tak krótkie fale, że nie ma sensu ich obserwować, ale mniejsze obiekty, takie jak atomy czy nawet cząsteczki, wykazują znaczne długości fal, co jest bardzo ważne dla mechaniki kwantowej, która jest praktycznie zbudowana na funkcjach falowych.

Znaczenie dualizmu korpuskularno-falowego

Główne znaczenie koncepcji dualizmu korpuskularno-falowego polega na tym, że zachowanie promieniowania elektromagnetycznego i materii można opisać za pomocą równania różniczkowego, które przedstawia funkcję falową. Jest to najczęściej równanie Schrödingera. Możliwość opisania rzeczywistości za pomocą funkcji falowych leży u podstaw mechaniki kwantowej.

Na pytanie, czym jest dualizm korpuskularno-falowy, najczęściej odpowiada się, że funkcja falowa reprezentuje prawdopodobieństwo znalezienia pewnej cząstki w pewnym miejscu. Innymi słowy, prawdopodobieństwo, że cząstka znajdzie się w przewidywanym miejscu, czyni ją falą, ale jej fizyczna forma i kształt nie są falą.

Czym jest dualizm cząstka-fala?

O ile matematyka, choć w sposób niezwykle złożony, dokonuje trafnych przewidywań na podstawie równań różniczkowych, o tyle znaczenie tych równań dla fizyki kwantowej jest znacznie trudniejsze do zrozumienia i wyjaśnienia. Próba wyjaśnienia, na czym polega dualizm korpuskularno-falowy, jest do dziś w centrum debaty w fizyce kwantowej.

Praktyczne znaczenie dualizmu korpuskularno-falowego polega również na tym, że każdy fizyk musi nauczyć się postrzegać rzeczywistość w bardzo ciekawy sposób, kiedy myślenie o prawie każdym obiekcie w znany sposób nie wystarcza już do adekwatnego postrzegania rzeczywistości.