Wat is golf-deeltjie-dualiteit? Dit is 'n kenmerk van fotone en ander subatomiese deeltjies wat onder sekere toestande soos golwe optree en onder ander soos deeltjies.
Golf-deeltjie-dualiteit van materie en lig is 'n belangrike deel van kwantummeganika, omdat dit die beste demonstreer dat konsepte soos "golwe" en "deeltjies", wat goed werk in klassieke meganika, nie genoeg is om verduidelikings van die gedrag van sommige kwantumvoorwerpe.
Die dubbele aard van lig het ná 1905 erkenning gekry in fisika, toe Albert Einstein die gedrag van lig beskryf het met behulp van fotone, wat as deeltjies beskryf is. Toe publiseer Einstein die minder bekende spesiale relatiwiteit, wat lig as golfgedrag beskryf het.
Partikels wat dubbelgedrag toon
Die beste van alles, die beginsel van golf-deeltjie-dualiteitwaargeneem in die gedrag van fotone. Dit is die ligste en kleinste voorwerpe wat dubbele gedrag toon. Onder groter voorwerpe, soos elementêre deeltjies, atome en selfs molekules, kan elemente van golf-deeltjie-dualiteit ook waargeneem word, maar groter voorwerpe tree soos uiters kort golwe op, dus is dit baie moeilik om waar te neem. Gewoonlik is die konsepte wat in klassieke meganika gebruik word, voldoende om die gedrag van groter of makroskopiese deeltjies te beskryf.
Bewys van golf-deeltjie-dualiteit
Mense dink al vir baie eeue en selfs millennia aan die aard van lig en materie. Tot betreklik onlangs het fisici geglo dat die kenmerke van lig en materie ondubbelsinnig moet wees: lig kan óf 'n stroom deeltjies óf 'n golf wees, net soos materie, óf bestaande uit individuele deeltjies wat die wette van Newtoniaanse meganika heeltemal gehoorsaam, óf 'n aaneenlopende, onafskeidbare medium.
Aanvanklik, in moderne tye, was die teorie oor die gedrag van lig as 'n stroom van individuele deeltjies, dit wil sê die korpuskulêre teorie, gewild. Newton het self daarby gehou. Latere fisici soos Huygens, Fresnel en Maxwell het egter tot die gevolgtrekking gekom dat lig 'n golf is. Hulle het die gedrag van lig verduidelik deur die ossillasie van die elektromagnetiese veld, en die interaksie van lig en materie het in hierdie geval onder die verduideliking van die klassieke veldteorie geval.
Aan die begin van die twintigste eeu is fisici egter gekonfronteer met die feit dat nie die eerste of die tweede verduideliking konbedek die area van liggedrag heeltemal onder verskeie toestande en interaksies.
Sedertdien het talle eksperimente die dualiteit van die gedrag van sommige deeltjies bewys. Die voorkoms en aanvaarding van golf-deeltjie-dualiteit van die eienskappe van kwantumvoorwerpe is egter veral beïnvloed deur die eerste, vroegste eksperimente, wat 'n einde gemaak het aan die debat oor die aard van die gedrag van lig.
Foto-elektriese effek: lig bestaan uit deeltjies
Die foto-elektriese effek, ook genoem die foto-elektriese effek, is die proses van interaksie van lig (of enige ander elektromagnetiese straling) met materie, as gevolg waarvan die energie van ligdeeltjies na materiedeeltjies oorgedra word. Tydens die studie van die foto-elektriese effek kon die gedrag van foto-elektrone nie deur klassieke elektromagnetiese teorie verklaar word nie.
Heinrich Hertz het in 1887 opgemerk dat skynende ultravioletlig op elektrodes hul vermoë om elektriese vonke te skep, verhoog het. Einstein het in 1905 die foto-elektriese effek verduidelik deur die feit dat lig deur sekere kwantumgedeeltes geabsorbeer en uitgestraal word, wat hy aanvanklik ligkwanta genoem het, en dit toe fotone gedoop het.
'n Eksperiment deur Robert Milliken in 1921 het Einstein se oordeel bevestig en daartoe gelei dat laasgenoemde die Nobelprys vir die ontdekking van die foto-elektriese effek ontvang het, en Millikan self die Nobelprys in 1923 ontvang vir sy werk oor elementêre deeltjies en die studie van die foto-elektriese effek.
Davisson-Jermer-eksperiment: lig is 'n golf
Davisson se ervaring - Germer het bevestigde Broglie se hipotese oor die golf-deeltjie-dualiteit van lig en het as basis gedien vir die formulering van die wette van kwantummeganika.
Albei fisici het die refleksie van elektrone van 'n nikkel-enkelkristal bestudeer. Die opstelling, geleë in 'n vakuum, het bestaan uit 'n nikkel-enkelkristalgrond teen 'n sekere hoek. 'n Straal monochromatiese elektrone is direk loodreg op die gesnyde vlak gerig.
Eksperimente het getoon dat elektrone as gevolg van refleksie baie selektief verstrooi word, dit wil sê, in alle gereflekteerde strale, ongeag die spoed en hoeke, word maksima en minima van intensiteit waargeneem. Davisson en Germer het dus eksperimenteel die teenwoordigheid van golfeienskappe in deeltjies bevestig.
In 1948 het die Sowjet-fisikus V. A. Fabrikant eksperimenteel bevestig dat golffunksies inherent is nie net in die vloei van elektrone nie, maar ook in elke elektron afsonderlik.
Jung se eksperiment met twee splete
Thomas Young se praktiese eksperiment met twee splete is 'n demonstrasie dat beide lig en materie die eienskappe van beide golwe en deeltjies kan vertoon.
Jung se eksperiment demonstreer prakties die aard van golf-deeltjie-dualiteit, ten spyte van die feit dat dit vir die eerste keer aan die begin van die 19de eeu uitgevoer is, selfs voor die koms van die teorie van dualisme.
Die kern van die eksperiment is soos volg: 'n ligbron (byvoorbeeld 'n laserstraal) word na 'n plaat gerig waar twee parallelle gleuwe gemaak word. Lig wat deur die splete gaan, word op die skerm agter die plaat weerkaats.
Die golfaard van lig veroorsaak dat liggolwe deur splete gaanmeng, wat ligte en donker strepe op die skerm produseer, wat nie sou gebeur as lig suiwer soos deeltjies gedra nie. Die skerm absorbeer en weerkaats egter lig, en die foto-elektriese effek is 'n bewys van die korpuskulêre aard van lig.
Wat is golf-deeltjie-dualiteit van materie?
Die vraag of materie in dieselfde dualiteit as lig kan optree, het de Broglie opgeneem. Hy besit 'n gewaagde hipotese dat, onder sekere omstandighede en afhangende van die eksperiment, nie net fotone nie, maar ook elektrone golf-deeltjie-dualiteit kan demonstreer. Broglie het sy idee van waarskynlikheidsgolwe nie net van fotone van lig nie, maar ook van makropartikels in 1924 ontwikkel.
Toe die hipotese bewys is deur die Davisson-Germer-eksperiment en Young se dubbelspleet-eksperiment (met elektrone in plaas van fotone) te herhaal, het de Broglie die Nobelprys (1929) ontvang.
Dit blyk dat materie onder die regte omstandighede ook soos 'n klassieke golf kan optree. Natuurlik skep groot voorwerpe golwe so kort dat dit betekenisloos is om dit waar te neem, maar kleiner voorwerpe, soos atome of selfs molekules, vertoon 'n merkbare golflengte, wat baie belangrik is vir kwantummeganika, wat feitlik op golffunksies gebou is.
Die betekenis van golf-deeltjie-dualiteit
Die hoofbetekenis van die konsep van golf-deeltjie-dualiteit is dat die gedrag van elektromagnetiese straling en materie beskryf kan word deur 'n differensiaalvergelyking,wat die golffunksie verteenwoordig. Gewoonlik is dit die Schrödinger-vergelyking. Die vermoë om die werklikheid met behulp van golffunksies te beskryf, is die kern van kwantummeganika.
Die mees algemene antwoord op die vraag wat golf-deeltjie-dualiteit is, is dat die golffunksie die waarskynlikheid verteenwoordig om 'n sekere deeltjie op 'n sekere plek te vind. Met ander woorde, die waarskynlikheid dat 'n deeltjie in 'n voorspelde plek sal wees, maak dit 'n golf, maar sy fisiese voorkoms en vorm is nie.
Wat is golf-deeltjie-dualiteit?
Terwyl wiskunde, alhoewel op 'n uiters komplekse manier, akkurate voorspellings maak gebaseer op differensiaalvergelykings, is die betekenis van hierdie vergelykings vir kwantumfisika baie moeiliker om te verstaan en te verduidelik. 'n Poging om te verduidelik wat golf-deeltjie-dualiteit is, is steeds in die middel van die debat in kwantumfisika.
Die praktiese betekenis van golf-deeltjie-dualiteit lê ook daarin dat enige fisikus moet leer om die werklikheid op 'n baie interessante manier waar te neem, wanneer dit nie meer genoeg is vir 'n toereikende persepsie om oor byna enige voorwerp op die gewone manier te dink nie. van die werklikheid.
