Bølge-partikkeldualitet - Definisjon

Lys fungerer som både en bølge og en partikkel

ALFRED PASIEKA/VITENSKAPFOTOBIBLIOTEKET / Getty Images

Bølge-partikkel dualitet beskriver egenskapene til fotoner og subatomære partikler for å vise egenskaper til både bølger og partikler. Bølge-partikkel-dualitet er en viktig del av kvantemekanikken, da den tilbyr en måte å forklare hvorfor konseptene 'bølge' og 'partikkel', som fungerer i klassisk mekanikk, ikke dekker oppførselen til kvante gjenstander. Lysets doble natur fikk aksept etter 1905, da Albert Einstein beskrev lys i form av fotoner, som viste egenskaper til partikler, og deretter presenterte sin berømte artikkel om spesiell relativitet, der lys fungerte som et felt av bølger.

Partikler som viser bølge-partikkeldualitet

Bølge-partikkel-dualitet har blitt demonstrert for fotoner (lys), elementærpartikler, atomer og molekyler. Imidlertid har bølgeegenskapene til større partikler, som molekyler, ekstremt korte bølgelengder og er vanskelige å oppdage og måle. Klassisk mekanikk er generelt tilstrekkelig for å beskrive oppførselen til makroskopiske enheter.

Bevis for bølge-partikkeldualitet

Tallrike eksperimenter har validert bølge-partikkel-dualitet, men det er noen få spesifikke tidlige eksperimenter som avsluttet debatten om hvorvidt lys består av enten bølger eller partikler:

Fotoelektrisk effekt - Lys oppfører seg som partikler

Defotoelektrisk effekter fenomenet der metaller avgir elektroner når de utsettes for lys. Oppførselen til fotoelektronene kunne ikke forklares med klassisk elektromagnetisk teori. Heinrich Hertz bemerket at skinnende ultrafiolett lys på elektrodene forbedret deres evne til å lage elektriske gnister (1887). Einstein (1905) forklarte den fotoelektriske effekten som et resultat av lys båret i diskrete kvantiserte pakker. Robert Millikans eksperiment (1921) bekreftet Einsteins beskrivelse og førte til at Einstein vant Nobelprisen i 1921 for 'sin oppdagelse av loven om den fotoelektriske effekten' og Millikan vant Nobelprisen i 1923 for 'sitt arbeid med elementær ladning av elektrisitet og på den fotoelektriske effekten'.

Davisson-Germer-eksperiment - Lys oppfører seg som bølger

Davisson-Germer-eksperimentet bekreftet deBroglie-hypotesen og fungerte som et grunnlag for formuleringen av kvantemekanikk. Eksperimentet brukte i hovedsak Bragg-loven om diffraksjon på partikler. Det eksperimentelle vakuumapparatet målte elektronenergiene spredt fra overflaten av en oppvarmet trådfilament og fikk treffe en nikkelmetalloverflate. Elektronstrålen kunne roteres for å måle effekten av å endre vinkelen på de spredte elektronene. Forskerne fant at intensiteten til den spredte strålen nådde en topp i visse vinkler. Dette indikerte bølgeadferd og kunne forklares ved å bruke Bragg-loven på nikkelkrystallgitteravstanden.

Thomas Youngs dobbeltspalteeksperiment

Youngs dobbeltspalteeksperiment kan forklares ved å bruke bølge-partikkel-dualitet. Utsendt lys beveger seg bort fra kilden som en elektromagnetisk bølge. Når den møter en spalte, passerer bølgen gjennom spalten og deler seg i to bølgefronter, som overlapper hverandre. I trefføyeblikket på skjermen 'kollapser' bølgefeltet til et enkelt punkt og blir et foton.