Κύματα ύλης-κυματική φύση του σωματιδίου
Η διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης λέει ότι κάθε αντικείμενο έχει δύο φύσεις που σχετίζονται με αυτό, δηλαδή ένα κύμα και ένα σωματίδιο. Είναι πιο κοινά γνωστό ως δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Η κυματική φύση των σωματιδίων προήλθε από τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού του Maxwell και το πείραμα παραγωγής και ανίχνευσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που έγινε από τον Hertz. Ο J. J Thompson ήταν ο πρώτος που προσδιόρισε την ταχύτητα και το φορτίο των σωματιδίων της καθόδου. Η διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης αποδείχθηκε από τον de Broglie και αργότερα επιβεβαιώθηκε από πολλά πειράματα όπως τα πειράματα David και Germer. Αυτό ήταν ένα από τα μεγαλύτερα πειράματα που έγιναν ποτέ για τη φύση της ακτινοβολίας και της ύλης. Η δυαδικότητα της φύσης έχει λύσει πολλές θεωρίες και έχει εξηγήσει πολλές έννοιες.
Σύμφωνα με την κυματική φύση των σωματιδίων, οι μηχανισμοί συγκέντρωσης και εστίασης του οφθαλμικού φακού το ακολουθούν. Ωστόσο, η απορρόφηση του φωτός από τις ράβδους και τους κώνους του αμφιβληστροειδούς είναι σύμφωνη με τη σωματιδιακή φύση του φωτός! Ενώ ακόμα προσπαθούσαμε να μάθουμε τι συνέβαινε, ήρθε ο Louis de Broglie και πρόσθεσε στη σύγχυση εισάγοντας τη σχέση de Broglie στην εξίσωση.
Η εξίσωση του De Broglie
Σύμφωνα με την υπόθεση του De Broglie, υπάρχει συμμετρία στη φύση. Εάν το φως και η ακτινοβολία λειτουργούν ως σωματίδια και κύματα, τότε η ύλη θα έχει επίσης ιδιότητες σωματιδίων και κυμάτων. Η διπλή φύση της ύλης είχε προβλεφθεί από τον De Broglie.
λ =hp
Χάρη στη σχέση του De Broglie, έχουμε τώρα μια κυματική θεωρία της ύλης. Το «Λάμδα» εδώ υποδηλώνει το μήκος κύματος του σωματιδίου, ενώ το «p» εδώ αντιπροσωπεύει την ορμή του σωματιδίου. Η σύνδεση de Broglie είναι σημαντική επειδή υποδεικνύει μαθηματικά ότι η ύλη μπορεί να ενεργήσει με τον τρόπο ενός κύματος. Με απλούς όρους, η εξίσωση de Broglie δηλώνει ότι κάθε κινούμενο σωματίδιο, είτε μικροσκοπικό είτε μακροσκοπικό, έχει το μοναδικό του μήκος κύματος.
Η κυματική πτυχή της ύλης μπορεί να παρατηρηθεί σε μακροσκοπικά πράγματα, υποδεικνύοντας ότι αποτελούνται από κύματα. Όταν πρόκειται για αντικείμενα μεγαλύτερου μεγέθους, το μήκος κύματος συρρικνώνεται καθώς το αντικείμενο μεγαλώνει σε μέγεθος, και τελικά γίνεται τόσο μικροσκοπικό ώστε να μην γίνεται αντιληπτό. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα μακροσκοπικά αντικείμενα στην πραγματική ζωή δεν παρουσιάζουν ιδιότητες που μοιάζουν με κύμα. Ακόμη και η μπάλα του κρίκετ που πετάτε έχει ένα μήκος κύματος που είναι πολύ μικρό για να το δείτε. Η σταθερά του Plank συνδέει το μήκος κύματος και την ορμή στην εξίσωση.
Θεωρία αβεβαιότητας του Heisenberg
Το πείραμα Davisson-Germer, το οποίο περιλάμβανε τη διάθλαση ηλεκτρονίων μέσω ενός κρυστάλλου, καθιέρωσε τον κυματικό χαρακτήρα της ύλης χωρίς καμία εύλογη αμφισβήτηση. Ο De Broglie τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1929 για την εργασία του στη θεωρία των κυμάτων ύλης, η οποία συνέβαλε στην καθιέρωση μιας εντελώς νέας επιστήμης της Κβαντικής Φυσικής. Η Αρχή της Αβεβαιότητας, που αναπτύχθηκε από τον Heisenberg, ήταν μια κομψή ολοκλήρωση της θεωρίας ύλης-κύματος. Όταν πρόκειται για ηλεκτρόνια ή άλλα σωματίδια, η Αρχή της Αβεβαιότητας δηλώνει ότι είναι αδύνατο να γνωρίζουμε σωστά τόσο την ορμή όσο και τη θέση τους ταυτόχρονα. Όποια κι αν είναι η περίπτωση, υπάρχει πάντα κάποιος βαθμός αβεβαιότητας είτε στη θέση (δέλτα x) είτε στην ορμή (δέλτα p).
Εξίσωση αβεβαιότητας του Heisenberg
Δx Δp ≤ h/2
Ας υποθέσουμε ότι προσδιορίζετε την ορμή του σωματιδίου ακριβώς έτσι ώστε το «δέλτα p» να ισούται με μηδέν. Η αβεβαιότητα στη θέση του σωματιδίου, «δέλτα x», πρέπει να είναι άπειρη για να ικανοποιηθεί η προηγούμενη εξίσωση. Από την εξίσωση του de Broglie, γνωρίζουμε ότι ένα σωματίδιο με καθορισμένη ορμή έχει ένα καθορισμένο μήκος κύματος, που συμβολίζεται με το σύμβολο «Λάμδα». Ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος εκτείνεται σε ολόκληρη την έκταση του χώρου, μέχρι το άπειρο. Σύμφωνα με την ερμηνεία πιθανοτήτων του Born, αυτό δείχνει ότι το σωματίδιο δεν περιορίζεται στο χώρο, επομένως η αβεβαιότητα θέσης γίνεται άπειρη.
Ωστόσο, στην πραγματικότητα, τα μήκη κύματος έχουν ένα πεπερασμένο όριο και δεν είναι άπειρα, υπονοώντας ότι η αβεβαιότητα θέσης και ορμής έχουν μια πεπερασμένη τιμή. Η εξίσωση της αρχής αβεβαιότητας των De Broglie και Heisenberg είναι και τα δύο μήλα από το ίδιο δέντρο.
Πείραμα Davisson-Germer
Οι Davisson και Germer πειραματίστηκαν σε κρυστάλλους νικελίου το 1927. Η κρυσταλλική δομή είναι τέτοια που συμπεριφέρεται σαν πλέγμα περίθλασης όταν φωτίζεται από μια δέσμη ακτίνων Χ με μήκος κύματος 1,65. Η ενδιάμεση απόσταση του κρυστάλλου είναι ισοδύναμη με το μήκος κύματος των ακτίνων Χ. Όταν η δέσμη χτυπά τον κρύσταλλο, τα κύματα με σταθερή σχέση φάσης αντανακλούν ξεχωριστά επίπεδα. Αυτά τα ανακλώμενα κύματα παρεμβάλλονται σε γωνία σκέδασης 50o για να παράγουν τη μέγιστη ένταση. Μια παρόμοια διάταξη (βλέπε παρακάτω) διερευνήθηκε, αλλά με τις ακτίνες Χ να αντικαθίστανται από μια δέσμη ηλεκτρονίων μεταβλητής ενέργειας.
Συμπέρασμα
Μετά από πολλά πειράματα και παρατηρήσεις από επιστήμονες όπως ο J.J. Thompon, de Broglie, Albert Einstein, αυτή η θεωρία έχει γίνει μια από τις μεγαλύτερες στην ιστορία της επιστήμης. Η κυματική φύση των σωματιδίων ανακαλύφθηκε τον δέκατο ένατο αιώνα, κάτι που απέτυχε να εξηγήσει διεξοδικά τη φύση των σωματιδίων. Αργότερα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ανακάλυψε ότι τα σωματίδια δεν είναι παρά μια ροή ενεργειακών πακέτων που ονομάζονται φωτόνια. Η σωματιδιακή φύση της ακτινοβολίας επέλυσε ορισμένες θεωρίες, όπως το φωτοηλεκτρικό και το φαινόμενο Compton. Όταν ο David και ο Germer πειραματίστηκαν σε αυτό, κατάφεραν να επαληθεύσουν τη διπλή φύση της σωματιδιακής και της κβαντικής μηχανικής.
