Mi az a hullám-részecske kettősség? Ez a fotonok és más szubatomi részecskék jellemzője, amelyek bizonyos körülmények között hullámként, más körülmények között pedig részecskékként viselkednek.
Az anyag és a fény hullám-részecske kettőssége fontos része a kvantummechanikának, mert ez mutatja legjobban azt a tényt, hogy a klasszikus mechanikában jól működő „hullámok” és „részecskék” fogalmak nem elegendőek magyarázatok egyes kvantumobjektumok viselkedésére.
A fény kettős természete 1905 után vált felismerésre a fizikában, amikor Albert Einstein leírta a fény viselkedését fotonok segítségével, amelyeket részecskékként írtak le. Aztán Einstein közzétette a kevésbé híres speciális relativitáselméletet, amely a fényt hullámviselkedésként írta le.
Kettős viselkedést mutató részecskék
A legjobb az egészben a hullám-részecske kettősség elvemegfigyelhető a fotonok viselkedésében. Ezek a legkönnyebb és legkisebb tárgyak, amelyek kettős viselkedést mutatnak. A nagyobb objektumok, például elemi részecskék, atomok, sőt molekulák között is megfigyelhetők a hullám-részecske kettősség elemei, de a nagyobb objektumok rendkívül rövid hullámként viselkednek, így nagyon nehezen megfigyelhetők. Általában a klasszikus mechanikában használt fogalmak elegendőek a nagyobb vagy makroszkopikus részecskék viselkedésének leírására.
A hullám-részecske kettősség bizonyítéka
Az emberek évszázadok, sőt évezredek óta gondolkodnak a fény és az anyag természetén. Egészen a közelmúltig a fizikusok úgy gondolták, hogy a fény és az anyag jellemzőinek egyértelműnek kell lenniük: a fény lehet részecskék folyama vagy hullám, akárcsak az anyag, vagy olyan egyedi részecskékből áll, amelyek teljes mértékben engedelmeskednek a newtoni mechanika törvényeinek, vagy lehet egy hullám. folyamatos, elválaszthatatlan médium.
Kezdetben, a modern időkben a fénynek mint egyedi részecskék áramlásának viselkedésére vonatkozó elmélet, vagyis a korpuszkuláris elmélet volt népszerű. Maga Newton is ragaszkodott hozzá. A későbbi fizikusok, például Huygens, Fresnel és Maxwell azonban arra a következtetésre jutottak, hogy a fény hullám. A fény viselkedését az elektromágneses tér oszcillációjával magyarázták, a fény és az anyag kölcsönhatása ebben az esetben a klasszikus térelmélet magyarázata alá tartozott.
A huszadik század elején azonban a fizikusok szembesültek azzal a ténnyel, hogy sem az első, sem a második magyarázat nemteljesen lefedi a fényviselkedés területét különféle körülmények és kölcsönhatások esetén.
Azóta számos kísérlet bizonyította egyes részecskék viselkedésének kettősségét. A kvantumobjektumok tulajdonságainak hullám-részecske kettősségének megjelenését és elfogadását azonban különösen az első, legkorábbi kísérletek befolyásolták, amelyek véget vetettek a fény viselkedésének természetéről szóló vitának.
Fotoelektromos hatás: a fény részecskékből áll
A fotoelektromos hatás, más néven fotoelektromos hatás, a fény (vagy bármely más elektromágneses sugárzás) és az anyag közötti kölcsönhatás folyamata, melynek eredményeként a fényrészecskék energiája átkerül az anyagrészecskékbe. A fotoelektronikus hatás vizsgálata során a fotoelektronok viselkedése nem volt magyarázható a klasszikus elektromágneses elmélettel.
Heinrich Hertz 1887-ben megjegyezte, hogy az ultraibolya fény az elektródákon megnövelte az elektromos szikraképző képességét. Einstein 1905-ben azzal magyarázta a fotoelektromos hatást, hogy a fényt bizonyos kvantumrészek nyelték el és bocsátanak ki, amelyeket kezdetben fénykvantumoknak nevezett, majd fotonoknak nevezte el őket.
Robert Milliken 1921-es kísérlete megerősítette Einstein ítéletét, és oda vezetett, hogy az utóbbi Nobel-díjat kapott a fotoelektromos hatás felfedezéséért, Millikan pedig 1923-ban Nobel-díjat kapott az elemi részecskékkel kapcsolatos munkájáért. és a fotoelektromos hatás tanulmányozása.
Davisson-Jermer kísérlet: a fény egy hullám
Davisson tapasztalatai – erősítette meg Germerde Broglie hipotézise a fény hullám-részecske kettősségéről, és alapul szolgált a kvantummechanika törvényeinek megfogalmazásához.
Mindkét fizikus egy nikkel-egykristály elektronjainak visszaverődését tanulmányozta. A vákuumban elhelyezett elrendezés egy bizonyos szögben őrölt nikkel egykristályból állt. A monokromatikus elektronok sugarát közvetlenül a vágási síkra irányították.
Kísérletek kimutatták, hogy a visszaverődés hatására az elektronok nagyon szelektíven szóródnak, vagyis minden visszavert nyalábban, sebességtől és szögtől függetlenül megfigyelhető az intenzitás maximuma és minimuma. Így Davisson és Germer kísérletileg megerősítette a hullámtulajdonságok jelenlétét a részecskékben.
1948-ban V. A. Fabrikant szovjet fizikus kísérleti úton megerősítette, hogy a hullámfüggvények nemcsak az elektronok áramlásában rejlenek, hanem minden egyes elektronban külön-külön is.
Jung kísérlete két réssel
Thomas Young két réssel végzett gyakorlati kísérlete annak a demonstrációja, hogy a fény és az anyag egyaránt képes a hullámok és a részecskék jellemzőit felmutatni.
Jung kísérlete gyakorlatilag bemutatja a hullám-részecske kettősség természetét, annak ellenére, hogy először a 19. század elején, még a dualizmus elméletének megjelenése előtt hajtották végre.
A kísérlet lényege a következő: egy fényforrást (például lézersugarat) egy lemezre irányítanak, ahol két párhuzamos rés van kialakítva. A réseken áthaladó fény a lemez mögötti képernyőn tükröződik.
A fény hullámtermészete fényhullámokat okoz a réseken átkeveredik, világos és sötét csíkokat hozva létre a képernyőn, ami nem történne meg, ha a fény tisztán részecskékként viselkedne. A képernyő azonban elnyeli és visszaveri a fényt, és a fotoelektromos hatás a fény korpuszkuláris természetének bizonyítéka.
Mi az anyag hullám-részecske kettőssége?
Azt a kérdést tette fel de Broglie, hogy az anyag képes-e ugyanabban a kettősségben viselkedni, mint a fény. Merész hipotézise birtokában van, miszerint bizonyos körülmények között és a kísérlettől függően nemcsak fotonok, hanem elektronok is kimutathatják a hullám-részecske kettősséget. Broglie 1924-ben dolgozta ki elképzelését a valószínűségi hullámokról nemcsak a fényfotonokról, hanem a makrorészecskékről is.
Amikor a hipotézist a Davisson-Germer kísérlettel és Young kettős réses kísérletének megismétlésével (fotonok helyett elektronokkal) bebizonyították, de Broglie megkapta a Nobel-díjat (1929).
Kiderült, hogy az anyag megfelelő körülmények között klasszikus hullámként is viselkedhet. Természetesen a nagy objektumok olyan rövid hullámokat keltenek, hogy értelmetlen megfigyelni őket, de a kisebb objektumok, például az atomok vagy akár a molekulák észrevehető hullámhosszt mutatnak, ami nagyon fontos a gyakorlatilag hullámfüggvényekre épülő kvantummechanika számára.
A hullám-részecske kettősség jelentése
A hullám-részecske kettősség fogalmának fő jelentése az, hogy az elektromágneses sugárzás és az anyag viselkedése leírható egy differenciálegyenlet segítségével,amely a hullámfüggvényt reprezentálja. Általában ez a Schrödinger-egyenlet. A valóság hullámfüggvényekkel történő leírásának képessége a kvantummechanika középpontjában áll.
Arra a kérdésre, hogy mi a hullám-részecske kettősség, a leggyakoribb válasz az, hogy a hullámfüggvény azt a valószínűséget jelenti, hogy egy adott részecskét egy adott helyen találunk. Más szóval, annak a valószínűsége, hogy egy részecske egy előre jelzett helyen van, hullámmá teszi, de a fizikai megjelenése és alakja nem.
Mi az a hullám-részecske kettősség?
Míg a matematika, jóllehet rendkívül összetett módon, pontos előrejelzéseket ad differenciálegyenletek alapján, ezen egyenletek jelentését a kvantumfizika számára sokkal nehezebb megérteni és megmagyarázni. A kvantumfizika vita középpontjában továbbra is a hullám-részecske kettősség elmagyarázására tett kísérlet áll.
A hullám-részecske kettősség gyakorlati jelentősége abban is rejlik, hogy minden fizikusnak meg kell tanulnia nagyon érdekes módon érzékelni a valóságot, amikor szinte minden tárgyról a szokásos módon gondolkodni már nem elég a megfelelő észleléshez. a valóság.
