Ce este dualismul corpuscular-undă: definiția termenului, proprietățile

Ce este dualismul corpuscular-undă? Este o caracteristică a fotonilor și a altor particule subatomice, care se comportă ca unde în anumite condiții și ca particule în altele.

Dualismul corpuscular-undă al materiei și al luminii este o parte importantă a a mecanicii cuantice, deoarece prin utilizarea ei cel mai bun demonstrează faptul că concepte precum "unde" și "particule", care funcționează bine în mecanica clasică, nu sunt suficiente pentru a explica comportamentul unor obiecte cuantice.

Natura duală a luminii a fost recunoscută în fizică după 1905, când Albert Einstein a descris comportamentul luminii cu ajutorul fotonilor, care au fost descriși ca particule. Einstein a publicat apoi mai puțin celebra teorie specială a relativității, în care lumina era descrisă prin comportamentul undelor.

Particule care prezintă un comportament dublu

Principiul dualității undă-corpusculă este cel mai bine observat în comportamentul fotonilor. Ele sunt cele mai ușoare și mai mici obiecte, având un comportament dublu. Printre obiectele mai mari, cum ar fi particulele elementare, atomii și chiar moleculele, pot fi observate, de asemenea, elemente ale dualismului particulă-undă, dar obiectele mai mari se comportă ca niște lungimi de undă extrem de scurte, astfel încât sunt foarte greu de observat. De obicei, pentru a descrie comportamentul particulelor mari sau macroscopice, conceptele utilizate în mecanica clasică sunt suficiente.

Dovezi pentru dualitatea undă corpusculară

Oamenii au reflectat asupra naturii luminii și a materiei timp de secole, chiar milenii. Până relativ recent, fizicienii au presupus că caracteristicile luminii și ale materiei trebuiau să fie univoce: lumina poate fi fie un flux de particule sau o undă, la fel ca materia, fie poate fi formată din particule individuale care se supun pe deplin legilor mecanicii newtoniene, fie poate fi un mediu continuu, indivizibil.

Inițial, teoria comportamentului luminii ca un flux de particule individuale, adică teoria corpusculară, a fost populară în epoca modernă. Acesta a fost deținut de Newton însuși. Cu toate acestea, fizicienii de mai târziu, cum ar fi Huygens, Fresnel și Maxwell, au ajuns la concluzia că lumina este o undă. Aceștia au explicat comportamentul luminii prin fluctuația câmpului electromagnetic, iar interacțiunea dintre lumină și materie a intrat în acest caz în explicația teoriei clasice a câmpului.

Cu toate acestea, la începutul secolului al XX-lea, fizicienii au realizat că nici prima, nici cea de-a doua explicație nu pot acoperi complet comportamentul luminii în diferite condiții și interacțiuni.

De atunci, numeroase experimente au demonstrat dualitatea unor particule. Cu toate acestea, o influență deosebită asupra apariției și acceptării proprietăților dualismului corpuscular-undă ale obiectelor cuantice au avut-o primele, primele experimente care au pus capăt În dezbaterea despre natura comportamentului luminii.

Efectul fotoelectric: lumina este formată din particule

Efectul fotoelectric, numit și efectul fotoelectric, este procesul prin care lumina (sau orice altă radiație electromagnetică) interacționează cu materia, transferând energia particulelor de lumină către particulele de materie. La momentul studierii efectului fotoelectric, comportamentul fotoelectronilor nu putea fi explicat prin teoria electromagnetică clasică.

Heinrich Hertz a observat încă din 1887 că dirijarea luminii ultraviolete asupra electrozilor creștea capacitatea acestora de a crea scântei electrice. Einstein a explicat efectul fotoelectric în 1905 spunând că lumina este absorbită și emisă în porțiuni cuantice specifice, pe care le-a numit inițial cuante de lumină, iar mai târziu i-a botezat fotoni.

Experimentul lui Robert Milliken din 1921 a confirmat judecata lui Einstein și a condus la, că acesta din urmă Milliken a primit Premiul Nobel în 1923 pentru lucrările sale privind particulele elementare și efectul fotoelectric.

Experimentul Davisson-Jermer: lumina este o undă

Experimentul Davisson-Jermer a confirmat conjectura lui de Broglie cu privire la dualitatea undă-corpusculară a luminii și a stat la baza formulării legilor mecanicii cuantice.

Ambii fizicieni au studiat reflexia electronilor dintr-un singur cristal de nichel. Aparatul, amplasat în vid, era format dintr-un monocristal de nichel șlefuit la un anumit unghi. Direct perpendicular pe planul fantei, un fascicul de electroni monocromatici.

Experimentele au arătat că, ca urmare a reflexiei, electronii se împrăștie foarte selectiv, adică în toate razele reflectate, indiferent de viteze și unghiuri, se observă maxime și minime de intensitate. Astfel, Davisson și Jermer au demonstrat experimental prezența proprietăților ondulatorii ale particulelor.

În 1948, un fizician sovietic V. А. Fabrikant a demonstrat experimental că funcțiile de undă sunt intrinseci nu numai fluxului de electroni, ci și fiecărui electron în parte.

Experimentul lui Jung cu două fante

Experimentul practic al lui Thomas Jung cu două fante este o demonstrație a faptului că atât lumina, cât și materia pot prezenta caracteristici de undă și de particulă.

Experimentul lui Jung demonstrează în mod practic natura dualității corpusculara-undă, chiar dacă a fost realizat pentru prima dată la începutul secolului al XIX-lea, înainte ca teoria dualității să fi fost descoperită.

Esența experimentului este următoarea: o sursă de lumină (de exemplu, o rază laser) este direcționată către o placă cu două fante paralele. Lumina care trece prin fante este reflectată pe ecranul din spatele plăcii.

Natura ondulatorie a luminii face ca undele luminoase care trec prin fante să se amestece, producând benzi luminoase și întunecate pe ecran, ceea ce nu s-ar întâmpla dacă lumina s-ar comporta exclusiv ca particule. Cu toate acestea, ecranul absoarbe și reflectă lumina, iar efectul fotoelectric este o dovadă a naturii corpusculare a luminii.

Ce este dualitatea corpusculară-undă a materiei?

Întrebarea dacă materia se poate comporta în același mod dual ca și lumina a fost abordată de de Broglie. El este ipoteza îndrăzneață că, în anumite condiții și în funcție de experiment, nu doar fotonii, ci și electronii pot prezenta dualismul undă-corpusculă. Broglie și-a dezvoltat ideea de unde de probabilitate nu numai pentru fotonii de lumină, ci și pentru macroparticule în 1924.

Când ipoteza a fost demonstrată prin experimentul Davisson-Jermer și prin repetarea experimentului Jung cu două fante (cu electroni în loc de fotoni), de Broglie a primit Premiul Nobel (1929).

Se pare că materia se poate comporta și ea se comportă ca.. unda clasică în circumstanțele potrivite. Desigur, obiectele mari produc lungimi de undă atât de scurte încât nu are sens să le observăm, dar obiectele mai mici, cum ar fi atomii sau chiar moleculele, prezintă lungimi de undă apreciabile, ceea ce este foarte important pentru mecanica cuantică, care este practic construită pe funcții de undă.

Semnificația dualismului corpuscular-undă

Principala semnificație a conceptului de dualism corpuscular-undă este aceea că comportamentul radiației electromagnetice și al materiei poate fi descris prin intermediul unei ecuații diferențiale care reprezintă funcția de undă. Aceasta este de obicei ecuația lui Schrödinger. Posibilitatea de a descrie realitatea prin intermediul funcțiilor de undă se află în centrul mecanicii cuantice.

Răspunsul cel mai frecvent la întrebarea ce este dualismul corpuscular-undă este că funcția de undă reprezintă probabilitatea de a găsi o anumită particulă într-un anumit loc. Cu alte cuvinte, probabilitatea ca o particulă să se afle într-un loc prevăzut o face să fie o undă, dar forma fizică și forma ei nu este o undă.

Ce este dualismul corpuscular-undă?

În timp ce matematica, deși într-un mod foarte complicat, face predicții precise pe baza ecuațiilor diferențiale, semnificația acestor ecuații pentru fizica cuantică este mult mai dificil de înțeles și de explicat. Încercarea de a explica ce înseamnă dualismul corpuscul-undă este, până în prezent, în centrul dezbaterii din fizica cuantică.

Importanța practică a dualismului undă-corpusculă constă și în faptul că orice fizician trebuie să învețe să perceapă realitatea într-un mod foarte interesant, când a gândi despre aproape orice obiect într-un mod familiar nu mai este suficient pentru a percepe în mod adecvat realitatea.