Ce este dualitatea undă-particulă? Este o caracteristică a fotonilor și a altor particule subatomice care se comportă ca undele în anumite condiții și ca particulele în altele.
Dualitatea undă-particulă a materiei și luminii este o parte importantă a mecanicii cuantice, deoarece demonstrează cel mai bine faptul că concepte precum „unde” și „particule”, care funcționează bine în mecanica clasică, nu sunt suficiente pentru explicații ale comportamentului unor obiecte cuantice.
Natura duală a luminii a câștigat recunoaștere în fizică după 1905, când Albert Einstein a descris comportamentul luminii folosind fotoni, care au fost descriși ca particule. Apoi, Einstein a publicat relativitatea specială, mai puțin faimoasă, care a descris lumina ca un comportament ondulatoriu.
Particule care prezintă un comportament dublu
Cel mai bun dintre toate, principiul dualității undă-particulăobservate în comportamentul fotonilor. Acestea sunt cele mai ușoare și mai mici obiecte care prezintă un comportament dublu. Printre obiectele mai mari, cum ar fi particulele elementare, atomii și chiar moleculele, pot fi observate și elemente ale dualității undă-particulă, dar obiectele mai mari se comportă ca unde extrem de scurte, deci sunt foarte greu de observat. De obicei, conceptele folosite în mecanica clasică sunt suficiente pentru a descrie comportamentul particulelor mai mari sau macroscopice.
Dovezi ale dualității undă-particule
Oamenii s-au gândit la natura luminii și a materiei de multe secole și chiar milenii. Până relativ recent, fizicienii credeau că caracteristicile luminii și materiei trebuie să fie lipsite de ambiguitate: lumina poate fi fie un flux de particule, fie o undă, la fel ca materia, fie constând din particule individuale care respectă complet legile mecanicii newtoniene, fie fiind un mediu continuu, inseparabil.
Inițial, în timpurile moderne, teoria despre comportamentul luminii ca flux de particule individuale, adică teoria corpusculară, a fost populară. Newton însuși a aderat la el. Cu toate acestea, fizicieni de mai târziu precum Huygens, Fresnel și Maxwell au ajuns la concluzia că lumina este o undă. Ei au explicat comportamentul luminii prin oscilația câmpului electromagnetic, iar interacțiunea luminii și materiei în acest caz a căzut sub explicația teoriei clasice a câmpului.
Cu toate acestea, la începutul secolului al XX-lea, fizicienii s-au confruntat cu faptul că nici prima, nici a doua explicație nu puteauacoperă complet zona de comportare a luminii în diferite condiții și interacțiuni.
De atunci, numeroase experimente au demonstrat dualitatea comportamentului unor particule. Cu toate acestea, apariția și acceptarea dualității undă-particulă a proprietăților obiectelor cuantice au fost influențate în special de primele experimente, cele mai vechi, care au pus capăt dezbaterii despre natura comportamentului luminii.
Efect fotoelectric: lumina este formată din particule
Efectul fotoelectric, numit și efect fotoelectric, este procesul de interacțiune a luminii (sau a oricărei alte radiații electromagnetice) cu materia, în urma căruia energia particulelor de lumină este transferată la particulele de materie. În timpul studiului efectului fotoelectric, comportamentul fotoelectronilor nu a putut fi explicat prin teoria electromagnetică clasică.
Heinrich Hertz a remarcat încă din 1887 că lumina ultravioletă strălucitoare pe electrozi le-a sporit capacitatea de a crea scântei electrice. Einstein în 1905 a explicat efectul fotoelectric prin faptul că lumina este absorbită și emisă de anumite porțiuni cuantice, pe care le-a numit inițial cuante de lumină, iar apoi le-a numit fotoni.
Un experiment al lui Robert Milliken în 1921 a confirmat judecata lui Einstein și a condus la faptul că acesta din urmă a primit Premiul Nobel pentru descoperirea efectului fotoelectric, iar Millikan însuși a primit Premiul Nobel în 1923 pentru munca sa asupra particulelor elementare. și studiul efectului fotoelectric.
Experiment Davisson-Jermer: lumina este o undă
Experiența lui Davis - a confirmat Germeripoteza lui de Broglie despre dualitatea undă-particulă a luminii și a servit drept bază pentru formularea legilor mecanicii cuantice.
Ambele fizicieni au studiat reflexia electronilor dintr-un singur cristal de nichel. Configurația, situată într-un vid, a constat dintr-un singur cristal de nichel măcinat la un anumit unghi. Un fascicul de electroni monocromatici a fost îndreptat direct perpendicular pe planul tăiat.
Experimentele au arătat că, în urma reflexiei, electronii sunt împrăștiați foarte selectiv, adică în toate fasciculele reflectate, indiferent de viteze și unghiuri, se observă maxime și minime de intensitate. Astfel, Davisson și Germer au confirmat experimental prezența proprietăților undelor în particule.
În 1948, fizicianul sovietic V. A. Fabrikant a confirmat experimental că funcțiile de undă sunt inerente nu numai fluxului de electroni, ci și fiecărui electron separat.
Experimentul lui Jung cu două fante
Experimentul practic al lui Thomas Young cu două fante este o demonstrație că atât lumina, cât și materia pot prezenta caracteristicile atât ale undelor, cât și ale particulelor.
Experimentul lui Jung demonstrează practic natura dualității undă-particulă, în ciuda faptului că a fost efectuat pentru prima dată la începutul secolului al XIX-lea, chiar înainte de apariția teoriei dualismului.
Esența experimentului este următoarea: o sursă de lumină (de exemplu, un fascicul laser) este direcționată către o placă în care sunt realizate două fante paralele. Lumina care trece prin fante este reflectată pe ecranul din spatele plăcii.
Natura ondulatorie a luminii provoacă unde luminoase care trec prin fante cătreamestecați, producând dungi luminoase și întunecate pe ecran, ceea ce nu s-ar întâmpla dacă lumina s-ar comporta pur ca niște particule. Cu toate acestea, ecranul absoarbe și reflectă lumina, iar efectul fotoelectric este dovada naturii corpusculare a luminii.
Ce este dualitatea undă-particulă a materiei?
Întrebarea dacă materia se poate comporta în aceeași dualitate ca lumina, a abordat de Broglie. El deține o ipoteză îndrăzneață că, în anumite condiții și în funcție de experiment, nu numai fotonii, ci și electronii pot demonstra dualitatea undă-particulă. Broglie și-a dezvoltat ideea despre undele de probabilitate nu numai ale fotonilor luminii, ci și ale macroparticulelor în 1924.
Când ipoteza a fost dovedită folosind experimentul Davisson-Germer și repetând experimentul cu dublă fantă a lui Young (cu electroni în loc de fotoni), de Broglie a primit Premiul Nobel (1929).
Se pare că materia se poate comporta ca un val clasic în circumstanțe potrivite. Desigur, obiectele mari creează unde atât de scurte încât nu are sens să le observăm, dar obiectele mai mici, cum ar fi atomii sau chiar moleculele, prezintă o lungime de undă vizibilă, ceea ce este foarte important pentru mecanica cuantică, care este construită practic pe funcții de undă.
Semnificația dualității undă-particulă
Senificația principală a conceptului de dualitate undă-particulă este că comportamentul radiației electromagnetice și al materiei poate fi descris folosind o ecuație diferențială,care reprezintă funcţia de undă. De obicei, aceasta este ecuația Schrödinger. Abilitatea de a descrie realitatea folosind funcțiile de undă se află în centrul mecanicii cuantice.
Cel mai frecvent răspuns la întrebarea ce este dualitatea undă-particulă este că funcția de undă reprezintă probabilitatea de a găsi o anumită particule într-un anumit loc. Cu alte cuvinte, probabilitatea ca o particulă să se afle într-o locație prezisă o face o undă, dar aspectul și forma sa fizică nu sunt.
Ce este dualitatea undă-particulă?
În timp ce matematica, deși într-un mod extrem de complex, face predicții precise bazate pe ecuații diferențiale, semnificația acestor ecuații pentru fizica cuantică este mult mai dificil de înțeles și explicat. O încercare de a explica ce este dualitatea undă-particulă este încă în centrul dezbaterii din fizica cuantică.
Semnificația practică a dualității undă-particulă constă și în faptul că orice fizician trebuie să învețe să perceapă realitatea într-un mod foarte interesant, atunci când gândirea la aproape orice obiect în modul obișnuit nu mai este suficient pentru o percepție adecvată. a realității.
