Kas yra bangos ir dalelės dvilypumas? Tai būdinga fotonams ir kitoms subatominėms dalelėms, kurios tam tikromis sąlygomis elgiasi kaip bangos, o kitomis – kaip dalelės.
Materijos ir šviesos bangų-dalelių dvilypumas yra svarbi kvantinės mechanikos dalis, nes tai geriausiai parodo faktą, kad tokių sąvokų kaip „bangos“ir „dalelės“, kurios puikiai veikia klasikinėje mechanikoje, nepakanka kai kurių kvantinių objektų elgesio paaiškinimai.
Dviguba šviesos prigimtis fizikoje buvo pripažinta po 1905 m., kai Albertas Einšteinas aprašė šviesos elgesį naudodamas fotonus, kurie buvo apibūdinti kaip dalelės. Tada Einšteinas paskelbė mažiau žinomą specialųjį reliatyvumą, kuriame šviesa apibūdinta kaip bangų elgesys.
Dvigubo elgesio dalelės
Geriausia – bangų ir dalelių dvilypumo principasstebimas fotonų elgesyje. Tai yra lengviausi ir mažiausi objektai, pasižymintys dvejopu elgesiu. Tarp didesnių objektų, tokių kaip elementariosios dalelės, atomai ir net molekulės, galima pastebėti ir bangų-dalelių dvilypumo elementus, tačiau didesni objektai elgiasi kaip itin trumpos bangos, todėl juos stebėti labai sunku. Paprastai klasikinėje mechanikoje vartojamų sąvokų pakanka didesnių ar makroskopinių dalelių elgsenai apibūdinti.
Bangos ir dalelių dvilypumo įrodymas
Žmonės apie šviesos ir materijos prigimtį galvojo daugelį šimtmečių ir net tūkstantmečių. Dar palyginti neseniai fizikai manė, kad šviesos ir materijos savybės turi būti nedviprasmiškos: šviesa gali būti arba dalelių srautas, arba banga, kaip ir materija, sudaryta iš atskirų dalelių, kurios visiškai paklūsta Niutono mechanikos dėsniams, arba yra ištisinė, neatskiriama terpė.
Iš pradžių, šiais laikais, buvo populiari teorija apie šviesos, kaip atskirų dalelių srauto, elgesį, ty korpuskuliarinė teorija. Pats Niutonas to laikėsi. Tačiau vėliau fizikai, tokie kaip Huygensas, Fresnelis ir Maksvelas, padarė išvadą, kad šviesa yra banga. Jie paaiškino šviesos elgesį elektromagnetinio lauko svyravimu, o šviesos ir materijos sąveika šiuo atveju pateko į klasikinės lauko teorijos paaiškinimą.
Tačiau XX amžiaus pradžioje fizikai susidūrė su tuo, kad nei pirmasis, nei antrasis paaiškinimas negalėjovisiškai padengti šviesos veikimo sritį įvairiomis sąlygomis ir sąveikaujant.
Nuo to laiko daugybė eksperimentų įrodė kai kurių dalelių elgsenos dvilypumą. Tačiau kvantinių objektų savybių bangų ir dalelių dvilypumo atsiradimui ir pripažinimui ypač įtakos turėjo pirmieji, ankstyviausi eksperimentai, kurie nutraukė diskusijas apie šviesos elgsenos prigimtį.
Fotoelektrinis efektas: šviesa susideda iš dalelių
Fotoelektrinis efektas, dar vadinamas fotoelektriniu efektu, yra šviesos (ar bet kokios kitos elektromagnetinės spinduliuotės) sąveikos su medžiaga procesas, kurio metu šviesos dalelių energija perduodama medžiagos dalelėms. Tiriant fotoelektrinį efektą, fotoelektronų elgesio nepavyko paaiškinti klasikine elektromagnetine teorija.
Heinrichas Hertzas dar 1887 m. pastebėjo, kad ultravioletinė šviesa ant elektrodų padidino jų gebėjimą sukelti elektros kibirkštis. 1905 m. Einšteinas paaiškino fotoelektrinį efektą tuo, kad šviesą sugeria ir skleidžia tam tikros kvantinės dalys, kurias jis iš pradžių pavadino šviesos kvantais, o paskui pavadino jas fotonais.
1921 m. Roberto Millikeno eksperimentas patvirtino Einšteino sprendimą ir lėmė tai, kad pastarasis gavo Nobelio premiją už fotoelektrinio efekto atradimą, o pats Millikanas 1923 m. gavo Nobelio premiją už darbą su elementariosiomis dalelėmis. ir fotoelektrinio efekto tyrimas.
Davisson-Jermer eksperimentas: šviesa yra banga
Davisson patirtis – patvirtino Germerisde Broglie hipotezė apie šviesos bangų ir dalelių dvilypumą ir buvo pagrindas suformuluoti kvantinės mechanikos dėsnius.
Abu fizikai tyrė elektronų atspindį iš nikelio monokristalo. Sąranką, esančią vakuume, sudarė nikelio monokristalas, įžemintas tam tikru kampu. Monochromatinių elektronų spindulys buvo nukreiptas tiesiai statmenai pjūvio plokštumai.
Eksperimentai parodė, kad dėl atspindžio elektronai išsisklaido labai selektyviai, tai yra visuose atspindėtuose pluoštuose, nepriklausomai nuo greičių ir kampų, stebimi intensyvumo maksimumai ir minimumai. Taigi Davissonas ir Germeris eksperimentiškai patvirtino dalelių banginių savybių buvimą.
1948 m. sovietų fizikas V. A. Fabrikantas eksperimentiškai patvirtino, kad bangų funkcijos būdingos ne tik elektronų srautui, bet ir kiekvienam elektronui atskirai.
Jungo eksperimentas su dviem plyšiais
Thomaso Youngo praktinis eksperimentas su dviem plyšiais parodo, kad tiek šviesa, tiek medžiaga gali turėti bangų ir dalelių charakteristikas.
Jungo eksperimentas praktiškai parodo bangų ir dalelių dvilypumo prigimtį, nepaisant to, kad jis pirmą kartą buvo atliktas XIX amžiaus pradžioje, dar prieš atsirandant dualizmo teorijai.
Eksperimento esmė tokia: šviesos š altinis (pavyzdžiui, lazerio spindulys) nukreipiamas į plokštę, kurioje padarytos dvi lygiagrečios plyšiai. Šviesa, praeinanti pro plyšius, atsispindi ekrane už plokštės.
Dėl šviesos bangos pobūdžio šviesos bangos praeina pro plyšius įsumaišoma, ekrane atsiranda šviesių ir tamsių dryžių, o tai neatsitiktų, jei šviesa elgtųsi tik kaip dalelės. Tačiau ekranas sugeria ir atspindi šviesą, o fotoelektrinis efektas įrodo, kad šviesa yra korpuskulinė.
Kas yra materijos bangų ir dalelių dvilypumas?
Klausimą, ar materija gali elgtis taip pat, kaip ir šviesa, ėmėsi de Broglie. Jam priklauso drąsi hipotezė, kad tam tikromis sąlygomis ir priklausomai nuo eksperimento ne tik fotonai, bet ir elektronai gali parodyti bangų ir dalelių dvilypumą. Broglie išplėtojo savo idėją apie tikimybines ne tik šviesos fotonų, bet ir makrodalelių bangas 1924 m.
Kai hipotezė buvo įrodyta naudojant Davisson-Germer eksperimentą ir pakartojant Youngo dvigubo plyšio eksperimentą (su elektronais, o ne fotonais), de Broglie gavo Nobelio premiją (1929).
Pasirodo, tinkamomis aplinkybėmis materija taip pat gali elgtis kaip klasikinė banga. Žinoma, dideli objektai sukuria tokias trumpas bangas, kad jas stebėti beprasmiška, tačiau mažesni objektai, tokie kaip atomai ar net molekulės, demonstruoja pastebimą bangos ilgį, o tai labai svarbu kvantinei mechanikai, kuri praktiškai yra paremta bangų funkcijomis.
Bangos ir dalelės dvilypumo prasmė
Pagrindinė bangų ir dalelių dvilypumo sąvokos reikšmė yra ta, kad elektromagnetinės spinduliuotės ir materijos elgseną galima apibūdinti naudojant diferencialinę lygtį,kuri reiškia bangos funkciją. Paprastai tai yra Schrödingerio lygtis. Galimybė apibūdinti tikrovę naudojant bangų funkcijas yra kvantinės mechanikos pagrindas.
Dažniausias atsakymas į klausimą, kas yra bangos ir dalelės dvilypumas, yra tas, kad bangos funkcija parodo tikimybę rasti tam tikrą dalelę tam tikroje vietoje. Kitaip tariant, tikimybė, kad dalelė bus numatytoje vietoje, paverčia ją banga, tačiau jos fizinė išvaizda ir forma – ne.
Kas yra bangų ir dalelių dvilypumas?
Nors matematika, nors ir itin sudėtingu būdu, pateikia tikslias prognozes, pagrįstas diferencialinėmis lygtimis, šių lygčių reikšmę kvantinei fizikai yra daug sunkiau suprasti ir paaiškinti. Bandymas paaiškinti, kas yra bangų ir dalelių dvilypumas, vis dar yra diskusijų apie kvantinę fiziką centre.
Praktinė bangų ir dalelių dvilypumo reikšmė slypi ir tame, kad bet kuris fizikas turi išmokti labai įdomiai suvokti tikrovę, kai adekvačiam suvokimui nebeužtenka mąstyti apie beveik bet kurį objektą įprastu būdu. tikrovės.
