Wat is dualiteit van golven en deeltjes? Het is een kenmerk van fotonen en andere subatomaire deeltjes die zich onder bepaalde omstandigheden als golven gedragen en onder andere als deeltjes.
Golf-deeltje dualiteit van materie en licht is een belangrijk onderdeel van de kwantummechanica, omdat het het beste laat zien dat concepten als "golven" en "deeltjes", die prima werken in de klassieke mechanica, niet voldoende zijn om verklaringen van het gedrag van sommige kwantumobjecten.
De dubbele aard van licht kreeg na 1905 erkenning in de natuurkunde, toen Albert Einstein het gedrag van licht beschreef met behulp van fotonen, die werden beschreven als deeltjes. Toen publiceerde Einstein de minder bekende speciale relativiteitstheorie, die licht beschreef als golfgedrag.
Deeltjes die dubbel gedrag vertonen
Het beste van alles, het principe van de dualiteit van golven en deeltjeswaargenomen in het gedrag van fotonen. Dit zijn de lichtste en kleinste objecten die een dubbel gedrag vertonen. Onder grotere objecten, zoals elementaire deeltjes, atomen en zelfs moleculen, kunnen ook elementen van golf-deeltjesdualiteit worden waargenomen, maar grotere objecten gedragen zich als extreem korte golven, dus ze zijn erg moeilijk waar te nemen. Gewoonlijk zijn de concepten die in de klassieke mechanica worden gebruikt voldoende om het gedrag van grotere of macroscopische deeltjes te beschrijven.
Bewijs van dualiteit golf-deeltjes
Mensen denken al eeuwen en zelfs millennia na over de aard van licht en materie. Tot voor kort geloofden natuurkundigen dat de eigenschappen van licht en materie ondubbelzinnig moesten zijn: licht kan ofwel een stroom deeltjes zijn of een golf, net als materie, ofwel bestaande uit individuele deeltjes die volledig voldoen aan de wetten van de Newtoniaanse mechanica, ofwel een continu, onafscheidelijk medium.
Aanvankelijk, in de moderne tijd, was de theorie over het gedrag van licht als een stroom van individuele deeltjes, dat wil zeggen de corpusculaire theorie, populair. Newton hield zich er zelf aan. Latere natuurkundigen als Huygens, Fresnel en Maxwell kwamen echter tot de conclusie dat licht een golf is. Ze verklaarden het gedrag van licht door de oscillatie van het elektromagnetische veld, en de interactie van licht en materie viel in dit geval onder de verklaring van de klassieke veldentheorie.
Aan het begin van de twintigste eeuw werden natuurkundigen echter geconfronteerd met het feit dat noch de eerste noch de tweede verklaringdekken het gebied van lichtgedrag volledig onder verschillende omstandigheden en interacties.
Sindsdien hebben talloze experimenten de dualiteit van het gedrag van sommige deeltjes bewezen. De verschijning en acceptatie van de dualiteit van golven en deeltjes van de eigenschappen van kwantumobjecten werden echter vooral beïnvloed door de eerste, vroegste experimenten, die een einde maakten aan het debat over de aard van het gedrag van licht.
Foto-elektrisch effect: licht bestaat uit deeltjes
Het foto-elektrisch effect, ook wel het foto-elektrisch effect genoemd, is het proces van interactie van licht (of een andere elektromagnetische straling) met materie, waardoor de energie van lichtdeeltjes wordt overgedragen op materiedeeltjes. Tijdens de studie van het foto-elektrisch effect kon het gedrag van foto-elektronen niet verklaard worden door de klassieke elektromagnetische theorie.
Heinrich Hertz merkte in 1887 op dat het schijnen van ultraviolet licht op elektroden hun vermogen om elektrische vonken te creëren vergroot. Einstein verklaarde in 1905 het foto-elektrisch effect door het feit dat licht wordt geabsorbeerd en uitgezonden door bepaalde kwantumdelen, die hij aanvankelijk lichtquanta noemde, en ze vervolgens fotonen noemde.
Een experiment van Robert Milliken in 1921 bevestigde het oordeel van Einstein en leidde ertoe dat laatstgenoemde de Nobelprijs ontving voor de ontdekking van het foto-elektrisch effect, en Millikan zelf de Nobelprijs in 1923 voor zijn werk aan elementaire deeltjes en de studie van het foto-elektrisch effect.
Davisson-Jermer-experiment: licht is een golf
Davisson's ervaring - Germer bevestigdde Broglie's hypothese over de golf-deeltjesdualiteit van licht en diende als basis voor het formuleren van de wetten van de kwantummechanica.
Beide natuurkundigen bestudeerden de reflectie van elektronen van een enkelkristal van nikkel. De opstelling, die zich in een vacuüm bevond, bestond uit een enkelkristal van nikkel dat onder een bepaalde hoek werd geslepen. Een bundel monochromatische elektronen werd direct loodrecht op het snijvlak gericht.
Experimenten hebben aangetoond dat als gevolg van reflectie elektronen zeer selectief worden verstrooid, dat wil zeggen in alle gereflecteerde bundels, ongeacht snelheden en hoeken, maxima en minima van intensiteit worden waargenomen. Zo hebben Davisson en Germer experimenteel de aanwezigheid van golfeigenschappen in deeltjes bevestigd.
In 1948 bevestigde de Sovjet-fysicus V. A. Fabrikant experimenteel dat golffuncties niet alleen inherent zijn aan de stroom van elektronen, maar ook aan elk afzonderlijk elektron.
Jung's experiment met twee spleten
Thomas Youngs praktische experiment met twee spleten is een demonstratie dat zowel licht als materie de eigenschappen van zowel golven als deeltjes kunnen vertonen.
Jung's experiment demonstreert praktisch de aard van de dualiteit van golven en deeltjes, ondanks het feit dat het voor het eerst werd uitgevoerd aan het begin van de 19e eeuw, zelfs vóór de komst van de theorie van het dualisme.
De essentie van het experiment is als volgt: een lichtbron (bijvoorbeeld een laserstraal) wordt gericht op een plaat waar twee parallelle sleuven zijn gemaakt. Licht dat door de spleten gaat, wordt gereflecteerd op het scherm achter de plaat.
Het golfkarakter van licht zorgt ervoor dat lichtgolven door spleten gaan ommengen, waardoor lichte en donkere strepen op het scherm ontstaan, wat niet zou gebeuren als licht zich puur als deeltjes zou gedragen. Het scherm absorbeert en reflecteert echter licht, en het foto-elektrische effect is het bewijs van de corpusculaire aard van licht.
Wat is golf-deeltje dualiteit van materie?
De vraag of materie zich in dezelfde dualiteit als licht kan gedragen, nam De Broglie ter hand. Hij heeft een gedurfde hypothese dat, onder bepaalde omstandigheden en afhankelijk van het experiment, niet alleen fotonen, maar ook elektronen de dualiteit van golven en deeltjes kunnen aantonen. Broglie ontwikkelde zijn idee van kansgolven niet alleen van lichtfotonen, maar ook van macrodeeltjes in 1924.
Toen de hypothese werd bewezen met behulp van het Davisson-Germer-experiment en het herhalen van Young's dubbelspletenexperiment (met elektronen in plaats van fotonen), ontving de Broglie de Nobelprijs (1929).
Het blijkt dat materie zich onder de juiste omstandigheden ook als een klassieke golf kan gedragen. Natuurlijk creëren grote objecten golven die zo kort zijn dat het zinloos is om ze waar te nemen, maar kleinere objecten, zoals atomen of zelfs moleculen, vertonen een merkbare golflengte, wat erg belangrijk is voor de kwantummechanica, die praktisch is gebaseerd op golffuncties.
De betekenis van golf-deeltje dualiteit
De belangrijkste betekenis van het concept van dualiteit van golven en deeltjes is dat het gedrag van elektromagnetische straling en materie kan worden beschreven met behulp van een differentiaalvergelijking,die de golffunctie vertegenwoordigt. Meestal is dit de Schrödingervergelijking. Het vermogen om de werkelijkheid te beschrijven met behulp van golffuncties vormt de kern van de kwantummechanica.
Het meest voorkomende antwoord op de vraag wat de dualiteit van golven en deeltjes is, is dat de golffunctie de kans weergeeft om een bepaald deeltje op een bepaalde plaats te vinden. Met andere woorden, de waarschijnlijkheid dat een deeltje zich op een voorspelde locatie bevindt, maakt het tot een golf, maar zijn fysieke verschijning en vorm niet.
Wat is dualiteit van golven en deeltjes?
Hoewel wiskunde, zij het op een uiterst complexe manier, nauwkeurige voorspellingen doet op basis van differentiaalvergelijkingen, is de betekenis van deze vergelijkingen voor de kwantumfysica veel moeilijker te begrijpen en uit te leggen. Een poging om uit te leggen wat de dualiteit van golven en deeltjes is, staat nog steeds centraal in het debat in de kwantumfysica.
De praktische betekenis van de dualiteit van golven en deeltjes ligt ook in het feit dat elke natuurkundige moet leren de werkelijkheid op een zeer interessante manier waar te nemen, wanneer op de gebruikelijke manier over bijna elk object nadenken niet langer voldoende is voor een adequate waarneming van de werkelijkheid.
