Двойственост вълна-частица
Двойствеността вълна-частица е може би едно от най-объркващите понятия във физиката, тъй като то е толкова различно от всичко, което виждаме в обикновения свят.
Физиците, които изучават светлината през 1700-те и 1800-те години, спорят дали светлината се състои от частици или от вълни. Изглежда, че светлината е и от двете. Понякога изглежда, че светлината се движи само по права линия, сякаш е съставена от частици. Но други експерименти показват, че светлината има честота и дължина на вълната, точно както звуковата или водната вълна. До XX век повечето физици смятаха, че светлината е или едното, или другото и че учените от другата страна на спора просто грешат.
Настояща ситуация
Макс Планк, Алберт Айнщайн, Луи дьо Бройл, Артър Комптън, Нилс Бор са работили по този проблем. Настоящата научна теория е, че всички частици действат едновременно като вълни и като частици. Това е потвърдено за елементарните частици и за съставните частици като атомите и молекулите. За макроскопичните частици, поради изключително малката им дължина на вълната, вълновите свойства обикновено не могат да бъдат открити.
Експеримент
През 1909 г. един учен на име Джефри Тейлър решава, че ще разреши този спор веднъж завинаги. Той заимства експеримент, изобретен по-рано от Томас Йънг, при който светлината преминава през две малки дупки, разположени една до друга. Когато през тези две малки дупчици преминавала ярка светлина, се получавала интерференчна картина, която сякаш показвала, че светлината всъщност е вълна.
Идеята на Тейлър е да заснеме светлината, излизаща от дупките, със специален фотоапарат, който е необичайно чувствителен към светлината. Когато през дупките преминаваше ярка светлина, на снимката се виждаше интерференчна картина, точно както Юнг показа по-рано. След това Тейлър намалил светлината до много слабо ниво. Когато светлината била достатъчно слаба, снимките на Тейлър показвали малки точици светлина, които се разпръсквали от дупките. Това сякаш показвало, че светлината всъщност е частица. Ако Тейлър оставял слабата светлина да свети през дупките достатъчно дълго, точките накрая запълвали снимката, за да се получи отново интерференчна картина. Това показало, че светлината по някакъв начин е едновременно вълна и частица.
За да бъде всичко още по-объркано, Луи дьо Бройл предполага, че материята може да действа по същия начин. След това учените провеждат същите експерименти с електрони и откриват, че електроните също са по някакъв начин едновременно частици и вълни. Електроните могат да се използват за провеждане на експеримента на Юнг с двойния процеп.
Днес тези експерименти са правени по толкова различни начини от толкова различни хора, че учените просто приемат, че както материята, така и светлината по някакъв начин са едновременно вълни и частици. Учените все още не са сигурни как е възможно това да се случи, но са напълно убедени, че трябва да е вярно. Въпреки че изглежда невъзможно да се разбере как нещо може да бъде едновременно вълна и частица, учените разполагат с редица уравнения за описване на тези неща, които имат променливи както за дължината на вълната (свойство на вълната), така и за импулса (свойство на частицата). Тази привидна невъзможност се нарича дуализъм вълна-частица.
Основна теория
Дуализмът вълна-частица означава, че всички частици притежават както свойства на вълна, така и на частица. Това е основна концепция на квантовата механика. Класическите понятия като "частица" и "вълна" не описват напълно поведението на обектите от квантов мащаб.
Частиците като вълни
Електронът има дължина на вълната, наречена "дължина на вълната на дьо Бройл". Тя може да бъде изчислена с помощта на уравнението
λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} 
λ D {\displaystyle \lambda _{D}}
е дължината на вълната на Дьо Бройл.
h {\displaystyle h}
е константата на Планк
ρ {\displaystyle \rho }
е импулсът на частицата.
Така се стига до идеята, че електроните в атомите показват модел на стояща вълна.
Вълните като частици
Фотоелектричният ефект показва, че светлинният фотон, който има достатъчно енергия (достатъчно висока честота), може да предизвика отделяне на електрон от повърхността на метал. Електроните в този случай се наричат фотоелектрони.
Свързани страници
- Макс Планк
- Квантова механика
