Golf-deeltje dualiteit - Definitie

Licht werkt zowel als een golf als een deeltje

ALFRED PASIEKA/SCIENCE FOTOBIBLIOTHEEK / Getty Images

Golf-deeltje dualiteit beschrijft de eigenschappen van fotonen en subatomaire deeltjes om eigenschappen van zowel golven als deeltjes te vertonen. De dualiteit van golven en deeltjes is een belangrijk onderdeel van de kwantummechanica omdat het een manier biedt om uit te leggen waarom concepten van 'golf' en 'deeltje', die werken in de klassieke mechanica, niet het gedrag van quantum voorwerpen. De dubbele aard van licht werd geaccepteerd na 1905, toen Albert Einstein licht beschreef in termen van fotonen, die eigenschappen van deeltjes vertoonden, en vervolgens zijn beroemde artikel over speciale relativiteit presenteerde, waarin licht fungeerde als een veld van golven.

Deeltjes die dualiteit van golf en deeltjes vertonen

De dualiteit van golven en deeltjes is aangetoond voor fotonen (licht), elementaire deeltjes, atomen en moleculen. De golfeigenschappen van grotere deeltjes, zoals moleculen, hebben echter extreem korte golflengten en zijn moeilijk te detecteren en te meten. Klassieke mechanica is over het algemeen voldoende om het gedrag van macroscopische entiteiten te beschrijven.

Bewijs voor dualiteit van golven en deeltjes

Talloze experimenten hebben de dualiteit van golven en deeltjes gevalideerd, maar er zijn een paar specifieke vroege experimenten die een einde maakten aan het debat over de vraag of licht uit golven of deeltjes bestaat:

Foto-elektrisch effect - licht gedraagt ​​zich als deeltjes

Defotoëlektrisch effectis het fenomeen waarbij metalen elektronen uitzenden bij blootstelling aan licht. Het gedrag van de foto-elektronen kon niet worden verklaard door de klassieke elektromagnetische theorie. Heinrich Hertz merkte op dat het schijnen van ultraviolet licht op elektroden hun vermogen om elektrische vonken te maken verbeterde (1887). Einstein (1905) legde het foto-elektrisch effect uit als het resultaat van licht dat wordt gedragen in discrete gekwantiseerde pakketten. Het experiment van Robert Millikan (1921) bevestigde de beschrijving van Einstein en leidde ertoe dat Einstein in 1921 de Nobelprijs won voor 'zijn ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect' en Millikan de Nobelprijs won in 1923 voor 'zijn werk aan de elementaire lading van elektriciteit en over het foto-elektrisch effect'.

Davisson-Germer-experiment - Licht gedraagt ​​zich als golven

Het Davisson-Germer-experiment bevestigde de deBroglie-hypothese en diende als basis voor de formulering van de kwantummechanica. Het experiment paste in wezen de Bragg-wet van diffractie toe op deeltjes. Het experimentele vacuümapparaat mat de elektronenenergieën die werden verstrooid vanaf het oppervlak van een verwarmde draadgloeidraad en liet een nikkelmetaaloppervlak raken. De elektronenbundel zou kunnen worden geroteerd om het effect te meten van het veranderen van de hoek op de verstrooide elektronen. De onderzoekers ontdekten dat de intensiteit van de verstrooide bundel onder bepaalde hoeken piekte. Dit duidde op golfgedrag en kon worden verklaard door de wet van Bragg toe te passen op de nikkelkristalroosterafstand.

Het dubbelspletenexperiment van Thomas Young

Het dubbele-spletenexperiment van Young kan worden verklaard met behulp van golf-deeltjesdualiteit. Het uitgestraalde licht beweegt als een elektromagnetische golf weg van zijn bron. Bij het ontmoeten van een spleet, gaat de golf door de spleet en verdeelt zich in twee golffronten, die elkaar overlappen. Op het moment van inslag op het scherm 'stort' het golfveld in een enkel punt en wordt een foton.