دوگانگی موج-ذره چیست؟ این ویژگی فوتون ها و سایر ذرات زیراتمی است که در برخی شرایط مانند امواج و در برخی شرایط مانند ذرات رفتار می کنند.
دوگانگی ذره-موج ماده و نور بخش مهمی از مکانیک کوانتومی است، زیرا به بهترین نحو این واقعیت را نشان می دهد که مفاهیمی مانند "امواج" و "ذرات" که در مکانیک کلاسیک به خوبی کار می کنند، کافی نیستند. توضیح رفتار برخی از اجسام کوانتومی.
ماهیت دوگانه نور پس از سال ۱۹۰۵ در فیزیک به رسمیت شناخته شد، زمانی که آلبرت اینشتین رفتار نور را با استفاده از فوتون‌ها که به عنوان ذرات توصیف می‌شوند، توصیف کرد. سپس انیشتین نسبیت خاص کمتر معروف را منتشر کرد که نور را به عنوان رفتار موجی توصیف کرد.
ذراتی که رفتار دوگانه از خود نشان می دهند
بهتر از همه، اصل دوگانگی موج-ذرهدر رفتار فوتون ها مشاهده می شود. اینها سبک ترین و کوچکترین اجسام هستند که رفتار دوگانه از خود نشان می دهند. در میان اجسام بزرگتر، مانند ذرات بنیادی، اتم ها و حتی مولکول ها، عناصر دوگانگی موج-ذره نیز قابل مشاهده هستند، اما اجسام بزرگتر مانند امواج بسیار کوتاه رفتار می کنند، بنابراین مشاهده آنها بسیار دشوار است. معمولاً مفاهیم مورد استفاده در مکانیک کلاسیک برای توصیف رفتار ذرات بزرگتر یا ماکروسکوپی کافی است.
شواهد دوگانگی موج-ذره
مردم قرن ها و حتی هزاره ها به ماهیت نور و ماده فکر می کردند. تا همین اواخر، فیزیکدانان معتقد بودند که ویژگی های نور و ماده باید بدون ابهام باشد: نور می تواند یا جریانی از ذرات باشد یا موجی، درست مانند ماده، یا متشکل از ذرات منفرد که کاملاً از قوانین مکانیک نیوتنی پیروی می کنند، یا اینکه محیط پیوسته و جدایی ناپذیر.
در ابتدا، در دوران مدرن، نظریه رفتار نور به عنوان جریانی از ذرات منفرد، یعنی نظریه جسمی، رایج بود. خود نیوتن به آن پایبند بود. با این حال، فیزیکدانان بعدی مانند هویگنس، فرنل و ماکسول به این نتیجه رسیدند که نور یک موج است. آنها رفتار نور را با نوسان میدان الکترومغناطیسی توضیح دادند و برهمکنش نور و ماده در این مورد تحت توضیح نظریه میدان کلاسیک قرار گرفت.
اما در آغاز قرن بیستم، فیزیکدانان با این واقعیت مواجه شدند که نه توضیح اول و نه توضیح دوم نمی تواندبه طور کامل منطقه رفتار نور را تحت شرایط و فعل و انفعالات مختلف پوشش می دهد.
از آن زمان، آزمایش های متعدد دوگانگی رفتار برخی از ذرات را ثابت کرده است. با این حال، ظهور و پذیرش دوگانگی موج-ذره از خواص اجسام کوانتومی به ویژه تحت تأثیر اولین و اولین آزمایش‌ها قرار گرفت، که به بحث در مورد ماهیت رفتار نور پایان داد.
اثر فوتوالکتریک: نور از ذرات تشکیل شده است
اثر فوتوالکتریک که به آن اثر فوتوالکتریک نیز می گویند، فرآیند برهمکنش نور (یا هر تابش الکترومغناطیسی دیگر) با ماده است که در نتیجه انرژی ذرات نور به ذرات ماده منتقل می شود. در طول مطالعه اثر فوتوالکتریک، رفتار فوتوالکترون ها را نمی توان با نظریه الکترومغناطیسی کلاسیک توضیح داد.
هاینریش هرتز در سال 1887 اشاره کرد که تابش نور فرابنفش بر روی الکترودها توانایی آنها را برای ایجاد جرقه های الکتریکی افزایش می دهد. انیشتین در سال 1905 اثر فوتوالکتریک را با این واقعیت توضیح داد که نور توسط بخش‌های کوانتومی خاصی جذب و گسیل می‌شود که در ابتدا آنها را کوانتوم نور نامید و سپس آنها را فوتون نامید.
آزمایشی توسط رابرت میلیکن در سال 1921 قضاوت انیشتین را تأیید کرد و به این واقعیت منجر شد که انیشتین جایزه نوبل را برای کشف اثر فوتوالکتریک دریافت کرد و خود میلیکان در سال 1923 جایزه نوبل را برای کارش در مورد ذرات بنیادی دریافت کرد. و مطالعه اثر فوتوالکتریک.
آزمایش دیویسون-جرمر: نور یک موج است
تجربه دیویسون - گرمر تأیید کردفرضیه دو بروگل در مورد دوگانگی موج-ذره نور و به عنوان مبنایی برای فرمول بندی قوانین مکانیک کوانتومی عمل کرد.
هر دو فیزیکدان بازتاب الکترون‌ها را از یک تک بلور نیکل مطالعه کردند. این چیدمان، که در خلاء قرار داشت، از یک زمین تک بلور نیکل در یک زاویه خاص تشکیل شده بود. پرتوی از الکترون های تک رنگ مستقیماً عمود بر صفحه برش هدایت شد.
آزمایش ها نشان داده اند که در نتیجه انعکاس، الکترون ها به صورت بسیار انتخابی پراکنده می شوند، یعنی در همه پرتوهای بازتاب شده، صرف نظر از سرعت و زاویه، حداکثر و حداقل شدت مشاهده می شود. بنابراین، دیویسون و ژرمر به طور تجربی وجود خواص موج در ذرات را تایید کردند.
در سال 1948، فیزیکدان شوروی V. A. Fabrikant به طور تجربی تأیید کرد که توابع موج نه تنها در جریان الکترون ها، بلکه در هر الکترون به طور جداگانه ذاتی هستند.
آزمایش یونگ با دو شکاف
آزمایش عملی توماس یانگ با دو شکاف نشان می دهد که نور و ماده هر دو می توانند ویژگی های امواج و ذرات را نشان دهند.
آزمایش یونگ عملاً ماهیت دوگانگی موج-ذره را نشان می دهد، علیرغم این واقعیت که اولین بار در آغاز قرن نوزدهم، حتی قبل از ظهور نظریه ثنویت، انجام شد.
ماهیت آزمایش به شرح زیر است: یک منبع نور (به عنوان مثال، یک پرتو لیزر) به صفحه ای هدایت می شود که در آن دو شکاف موازی ساخته شده است. نوری که از شکاف ها عبور می کند روی صفحه پشت صفحه منعکس می شود.
ماهیت موجی نور باعث می شود امواج نوری از شکاف ها عبور کنندمخلوط کردن، ایجاد رگه های روشن و تاریک روی صفحه نمایش، که اگر نور صرفاً مانند ذرات رفتار می کرد، این اتفاق نمی افتاد. با این حال، صفحه نمایش نور را جذب و منعکس می کند، و اثر فوتوالکتریک اثباتی بر ماهیت جسمی نور است.
دوگانگی موج-ذره ماده چیست؟
این سوال که آیا ماده می تواند در همان دوگانگی نور رفتار کند، دو بروگلی مطرح کرد. او صاحب یک فرضیه جسورانه است که در شرایط خاص و بسته به آزمایش، نه تنها فوتون ها، بلکه الکترون ها نیز می توانند دوگانگی موج-ذره را نشان دهند. بروگلی ایده خود را در مورد امواج احتمالی نه تنها فوتون های نور، بلکه همچنین ذرات درشت را در سال 1924 توسعه داد.
وقتی این فرضیه با استفاده از آزمایش دیویسون-گرمر و تکرار آزمایش دو شکاف یانگ (با الکترون به جای فوتون) اثبات شد، دو بروگل جایزه نوبل (1929) را دریافت کرد.
معلوم است که ماده همچنین می تواند در شرایط مناسب مانند یک موج کلاسیک رفتار کند. البته اجسام بزرگ امواج آنقدر کوتاه ایجاد می کنند که مشاهده آنها بی معنی است، اما اجسام کوچکتر مانند اتم ها یا حتی مولکول ها طول موج قابل توجهی از خود نشان می دهند که برای مکانیک کوانتومی که عملاً بر اساس توابع موج ساخته شده است بسیار مهم است.
معنای دوگانگی موج-ذره
معنای اصلی مفهوم دوگانگی موج - ذره این است که رفتار تابش الکترومغناطیسی و ماده را می توان با استفاده از یک معادله دیفرانسیل توصیف کرد.که نشان دهنده تابع موج است. معمولاً این معادله شرودینگر است. توانایی توصیف واقعیت با استفاده از توابع موج در قلب مکانیک کوانتومی است.
رایج ترین پاسخ به این سوال که دوگانگی موج-ذره چیست این است که تابع موج احتمال یافتن یک ذره خاص را در یک مکان خاص نشان می دهد. به عبارت دیگر، احتمال اینکه یک ذره در یک مکان پیش بینی شده باشد، آن را موج می کند، اما ظاهر فیزیکی و شکل آن چنین نیست.
دوگانگی موج-ذره چیست؟
در حالی که ریاضیات، اگرچه به روشی بسیار پیچیده، پیش بینی های دقیقی را بر اساس معادلات دیفرانسیل انجام می دهد، درک و توضیح معنای این معادلات برای فیزیک کوانتومی بسیار دشوارتر است. تلاش برای توضیح اینکه دوگانگی موج-ذره چیست هنوز در مرکز بحث در فیزیک کوانتومی است.
اهمیت عملی دوگانگی موج-ذره همچنین در این واقعیت نهفته است که هر فیزیکدانی باید بیاموزد که واقعیت را به روشی بسیار جالب درک کند، در حالی که فکر کردن تقریباً به هر جسمی به روش معمول دیگر برای درک کافی کافی نیست. واقعیت.
