Ποιες παρατηρήσεις ή πειράματα δεν δείχνουν το φως που συμπεριφέρεται ως κλασικό κύμα;
1. Το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα:
* Παρατήρηση: Όταν το φως λάμπει σε μεταλλική επιφάνεια, εκπέμπονται ηλεκτρόνια. Η ενέργεια αυτών των ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη συχνότητα *του φωτός, όχι την ένταση του *. Αυτό είναι αντίθετο με τη θεωρία των κλασικών κυμάτων, η οποία προβλέπει ότι η ενέργεια του ηλεκτρονίου πρέπει να εξαρτάται από την ένταση του φωτός κύματος.
* Επεξήγηση: Ο Albert Einstein εξήγησε αυτό προτείνοντας ότι το φως κβαντοποιείται σε πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Η ενέργεια ενός φωτονίου είναι άμεσα ανάλογη με τη συχνότητα του φωτός. Ένα ηλεκτρόνιο απορροφά ολόκληρη την ενέργεια ενός μόνο φωτονίου, η οποία αρκεί για να το εκτοξεύσει από το μέταλλο εάν η ενέργεια του φωτονίου υπερβαίνει τη λειτουργία εργασίας του μετάλλου.
2. Ακτινοβολία μαύρου σώματος:
* Παρατήρηση: Ένα μαύρο σώμα είναι ένα υποθετικό αντικείμενο που απορροφά όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που πέφτει πάνω του. Κλασικά, το φάσμα του μαύρου σώματος θα πρέπει να έχει κατανομή ενέργειας που αυξάνεται χωρίς δεσμευμένη σε υψηλότερες συχνότητες, οδηγώντας στην "υπεριώδη καταστροφή". Ωστόσο, πειραματικά, το φάσμα κορυφώνεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα που εξαρτάται από τη θερμοκρασία του μαύρου σώματος.
* Επεξήγηση: Ο Max Planck εξήγησε με επιτυχία το παρατηρούμενο φάσμα υποθέτοντας ότι η φωτεινή ενέργεια κβαντίστηκε. Πρότεινε ότι το φως εκπέμπεται και απορροφάται σε διακριτά πακέτα, που αργότερα ονομάζονται φωτόνια, με ενέργεια ανάλογη με τη συχνότητα.
3. Compton Scattering:
* Παρατήρηση: Όταν οι ακτίνες Χ διασκορπίζονται από τα ηλεκτρόνια, χάνουν ενέργεια και αλλάζουν το μήκος κύματος. Αυτή η απώλεια ενέργειας δεν μπορεί να εξηγηθεί με κλασική σκέδαση κύματος, η οποία προβλέπει μόνο μια αλλαγή στην κατεύθυνση.
* Επεξήγηση: Αυτό το πείραμα παρέχει περαιτέρω στοιχεία για τη φύση των σωματιδίων του φωτός. Η αλλαγή στο μήκος κύματος μπορεί να εξηγηθεί υποθέτοντας ότι το φωτόνιο ακτίνων Χ συγκρούεται με το ηλεκτρόνιο όπως δύο μπάλες μπιλιάρδου, μεταφέροντας μέρος της ενέργειας και της ορμής του.
4. Πείραμα διπλής σχισμής:
* Παρατήρηση: Ενώ το πείραμα διπλής σχισμής καταδεικνύει παρεμβολές κύματος, δείχνει επίσης ότι το φως συμπεριφέρεται σαν σωματίδια όταν αλληλεπιδρά με τον ανιχνευτή. Τα μεμονωμένα φωτόνια φτάνουν στην οθόνη σε διακριτές τοποθεσίες, αλλά το πρότυπο των φωτονίων με την πάροδο του χρόνου δείχνει ένα πρότυπο παρεμβολής.
* Επεξήγηση: Αυτό το πείραμα υπογραμμίζει τη δυαδικότητα του φωτός κύματος. Παρόλο που το φως διαδίδεται ως κύμα, αλληλεπιδρά με την ύλη ως μεμονωμένα σωματίδια (φωτόνια).
5. Πειράματα ενός φωτονίου:
* Παρατήρηση: Έχουν εκτελεστεί πειράματα όπου ένα μόνο φωτόνιο αποστέλλεται μέσω διπλής σχισμής. Παρά την έλλειψη άλλου φωτονίου για "παρεμβολή", το φωτόνιο εξακολουθεί να δημιουργεί ένα πρότυπο παρεμβολής στον ανιχνευτή.
* Επεξήγηση: Αυτό καταδεικνύει ότι το φωτόνιο με κάποιο τρόπο "παρεμβαίνει με τον εαυτό του", θολώνει περαιτέρω τις γραμμές μεταξύ της συμπεριφοράς των κυμάτων και των σωματιδίων.
Αυτές οι παρατηρήσεις και τα πειράματα παρέχουν ισχυρές ενδείξεις ότι το φως παρουσιάζει ιδιότητες τόσο των κυμάτων όσο και των σωματιδίων. Η κλασική περιγραφή του φωτός δεν εξηγεί αυτά τα φαινόμενα, οδηγώντας στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής, η οποία παρέχει μια πληρέστερη εικόνα της φύσης του φωτός.
