Što je dualizam korpuskularnog vala: definicija pojma, svojstva

Što je dualizam korpuskularnih valova? To je karakteristika fotona i drugih subatomskih čestica koje se u nekim uvjetima ponašaju kao valovi, a u drugima kao čestice.

Dualizam čestica-vala tvari i svjetlosti je važan dio kvantne mehanike, jer pomoću nje najbolje od svega pokazuje se činjenica da koncepti poput "valova" i "čestica", koji lijepo djeluju u klasičnoj mehanici, nisu dovoljni da objasne ponašanje nekih kvantnih objekata.

Dvostruki karakter svjetlosti stekao je priznanje u fizici nakon 1905. godine, kada je Albert Einstein opisao ponašanje svjetlosti pomoću fotona koji su opisani kao čestice. Einstein je tada objavio manje poznatu posebnu teoriju relativnosti u kojoj je svjetlost opisana ponašanjem valova.

Čestice koje pokazuju ambivalentno ponašanje

Princip dualizma korpuskularnog vala najbolje se opaža u ponašanju fotona. To su najlakši i najmanji predmeti koji pokazuju ambivalentno ponašanje. Među većim objektima kao što su elementarne čestice, atomi, pa čak i molekule, također je moguće promatrati elemente dualizma korpuskularnih valova, međutim, veći se objekti ponašaju kao valovi izuzetno kratke duljine, pa ih je vrlo teško promatrati. Obično su koncepti koji se koriste u klasičnoj mehanici sasvim dovoljni za opisivanje ponašanja većih ili makroskopskih čestica.

Dokazi o dualizmu korpuskularnog vala

Ljudi su stoljećima, pa čak i tisućljećima, razmišljali o prirodi svjetlosti i materije. Do relativno nedavno, fizičari su vjerovali da karakteristike svjetlosti i materije moraju biti jednoznačne: svjetlost može biti ili tok čestica ili val, baš kao i materija, ili se sastoji od pojedinačnih čestica koje se u potpunosti pokoravaju zakonima njutnovske mehanike, ili biti kontinuirani, nerazdvojni medij.

U početku je teorija o ponašanju svjetlosti kao toka pojedinih čestica bila popularna u moderno doba, odnosno teorija korpuskularnih čestica. Držao ju je sam Njutn. Međutim, kasniji fizičari poput Guigensa, Fresnela i Maksvella zaključili su da je svjetlost val. Objasnili su ponašanje svjetlosti oscilacijom elektromagnetskog polja, a interakcija svjetlosti i materije u ovom je slučaju potpala pod objašnjenje klasične teorije polja.

Međutim, početkom dvadesetog stoljeća fizičari su se suočili s činjenicom da ni prvo ni drugo objašnjenje ne mogu u potpunosti pokriti područje ponašanja svjetlosti pod različitim uvjetima i interakcijama.

Od tada su brojni eksperimenti dokazali dualizam ponašanja nekih čestica. Međutim, prvi, najraniji eksperimenti koji su imali poseban utjecaj na pojavu i usvajanje dualizma čestica-vala svojstva kvantnih objekata stavili su točku u raspravi o prirodi ponašanja svjetlosti.

Foto efekt: svjetlost se sastoji od čestica

Fotoelektrični efekt, koji se naziva i fotoelektrični efekt, proces je interakcije svjetlosti (ili bilo kojeg drugog elektromagnetskog zračenja) s materijom, pri čemu se energija čestica svjetlosti prenosi na čestice materije. Tijekom proučavanja fotoelektričnog efekta, ponašanje fotoelektrona nije se moglo objasniti klasičnom elektromagnetskom teorijom.

Heinrich Hertz je već 1887. primijetio da je usmjeravanje ultraljubičastog svjetla na elektrode povećalo njihovu sposobnost stvaranja električnih iskri. Einstein je 1905. objasnio fotoelektrični efekt tako što je svjetlost apsorbirala i emitirala određene kvantne dijelove, koje je izvorno nazvao kvantima svjetlosti, a zatim ih krstio fotonima.

Eksperiment Roberta Millikana, proveden 1921. godine, potvrdio je Einsteinove prosudbe i doveo do toga, što je posljednje dobio je Nobelovu nagradu za otkriće fotoelektričnog efekta, a sam Millikan dobio je Nobelovu nagradu 1923. za rad na elementarnim česticama i proučavanje fotoelektričnog efekta.

Davisson-Germerovo iskustvo: svjetlost je val

Davisson-Germerovo iskustvo potvrdilo je de Broglieovu hipotezu o dualizmu čestica-vala svjetlosti i poslužilo je kao osnova za formuliranje zakona kvantne mehanike.

Oba fizičara proučavala su refleksiju elektrona iz jednog kristala nikla. Postrojenje u vakuumu sastojalo se od jednog kristala nikla brušenog pod određenim kutom. Snop monokromatskih elektrona bio je usmjeren izravno okomito na ravninu rezanja.

Eksperimenti su pokazali da se kao rezultat refleksije elektroni raspršuju vrlo selektivno, odnosno u svim reflektiranim zrakama, bez obzira na brzine i kutove, opažaju se maksimumi i minimumi intenziteta. Tako su Davisson i Germer eksperimentalno potvrdili prisutnost valnih svojstava čestica.

1948. sovjetski fizičar u. A. Proizvođač je eksperimentalno potvrdio da su valne funkcije svojstvene ne samo protoku elektrona, već i svakom elektronu pojedinačno.

Jungovo iskustvo s dvostrukim prorezom

Praktični eksperiment Thomasa Junga s dvostrukim prorezom demonstracija je da i svjetlost i materija mogu pokazivati karakteristike i valova i čestica.

Jungov eksperiment praktički pokazuje prirodu dualizma korpuskularnih valova, unatoč tome što je prvi put izveden početkom stoljeća, prije pojave teorije dualizma.

Suština eksperimenta je sljedeća: izvor svjetlosti (na primjer, laserska zraka) usmjeren je na ploču na kojoj su napravljena dva paralelna proreza. Svjetlost koja prolazi kroz proreze reflektira se na zaslon iza ploče.

Valna priroda svjetlosti uzrokuje miješanje svjetlosnih valova koji prolaze kroz proreze, stvarajući svjetlosne i tamne trake na ekranu, što se ne bi dogodilo da se svjetlost ponaša isključivo poput čestica. Međutim, zaslon apsorbira i reflektira svjetlost, a fotoelektrični efekt dokaz je korpuskularne prirode svjetlosti.

Što je dualizam materije korpuskularnog vala?

Pitanje Može li se materija ponašati jednako dualno kao i svjetlost preuzeo je de Broglie. Posjeduje hrabru hipotezu da pod određenim uvjetima i ovisno o eksperimentu ne samo fotoni, već i elektroni mogu pokazati dualizam čestica-vala. Broglie je razvio svoju ideju o valovima vjerojatnosti ne samo fotona svjetlosti, već i makročestica 1924. godine.

Kada je hipoteza dokazana Davisson-Germerovim eksperimentom i ponavljanjem Jungovog iskustva s dvostrukim prorezima (s elektronima umjesto fotona), de Broglie je dobio Nobelovu nagradu (1929).

Ispada da i materija može voditi sebe kao klasični val pod pravim okolnostima. Naravno, veliki objekti stvaraju tako kratke valne duljine da ih je besmisleno promatrati, međutim manji objekti poput atoma ili čak molekula pokazuju primjetnu valnu duljinu, što je vrlo važno za kvantnu mehaniku koja je praktički izgrađena na valnim funkcijama.

Značenje dualizma korpuskularnog vala

Glavno značenje koncepta dualizma korpuskularnih valova je da se ponašanje elektromagnetskog zračenja i materije može opisati diferencijalnom jednadžbom koja predstavlja valnu funkciju. To je obično Schrodingerova jednadžba. Sposobnost opisivanja stvarnosti pomoću valnih funkcija temelj je kvantne mehanike.

Najčešći odgovor na pitanje što je dualizam čestica-vala jest da valna funkcija predstavlja vjerojatnost pronalaska određene čestice na određenom mjestu. Drugim riječima, vjerojatnost da čestica završi na predviđenom mjestu čini je Valom, a njezin fizički izgled i oblik val nisu.

Što je dualizam korpuskularnih valova?

Iako matematika, iako na izuzetno složen način, daje točna predviđanja na temelju diferencijalnih jednadžbi, značaj ovih jednadžbi za kvantnu fiziku mnogo je teže razumjeti i objasniti. Pokušaj objašnjenja što je dualizam korpuskularnih valova leži u središtu rasprave o kvantnoj fizici do danas.

Praktična važnost dualizma korpuskularnog vala također je u tome što svaki fizičar mora naučiti percipirati stvarnost na vrlo zanimljiv način, kada razmišljanje o gotovo bilo kojem objektu na uobičajeni način više nije dovoljno za adekvatnu percepciju stvarnosti.