El proceso de descubrimiento y derivación de la dualidad onda-partícula
La dualidad onda-partícula significa que toda la materia tiene tanto las características de las ondas como las de las partículas. La dualidad onda-partícula es un concepto importante en la mecánica cuántica.
En la mecánica clásica, Los objetos de investigación siempre se dividen claramente en dos categorías: ondas y partículas. Un ejemplo típico de las primeras es la luz, mientras que las segundas constituyen lo que a menudo llamamos "materia". En 1905, Einstein propuso con la luz una explicación del efecto fotoeléctrico. La gente comenzó a darse cuenta de que las ondas de luz tienen las propiedades duales de ondas y partículas. En 1924, de Broglie propuso la hipótesis de la "materia ondulatoria", creyendo que, como la luz, toda la materia tiene dualidad onda-partícula, según esta hipótesis, los electrones. También habrá fenómenos ondulatorios como la interferencia y la difracción, lo que fue confirmado por experimentos posteriores de difracción de electrones.
La relación matemática entre "ondas" y "partículas"
Materia La naturaleza de las partículas es caracterizado por la energía E y el momento p, mientras que las características de la onda se expresan por la frecuencia ν y la longitud de onda λ. Estos dos conjuntos de cantidades físicas están vinculados por la constante h de Planck.
Historia
En. A finales del siglo XIX, la teoría atómica, cada vez más madura, se hizo popular. Según la teoría atómica, la materia está compuesta de partículas diminutas: átomos. Por ejemplo, la electricidad, que originalmente se consideraba un fluido, se formó a partir del cátodo de Thompson. Los experimentos con rayos han demostrado que están compuestos de partículas llamadas electrones. Por lo tanto, se cree que la mayor parte de la materia está compuesta de partículas. Al mismo tiempo, se considera que las ondas son otra forma de existencia de la materia. -Estudio en profundidad, incluidos los fenómenos de interferencia y difracción. Debido a las características de la luz en el experimento de interferencia de doble rendija de Thomas Young y la difracción de Fraunhofer, se demuestra claramente que es una onda.
Sin embargo, en el advenimiento. A principios del siglo XX, esta visión enfrentó algunos desafíos. El efecto fotoeléctrico estudiado por Albert Einstein en 1905 mostró el lado partícula de la luz. Posteriormente se predijo y confirmó la difracción de electrones, lo que demuestra la naturaleza ondulatoria de los electrones. partículas.
Este problema entre ondas y partículas finalmente se resolvió con el establecimiento de la mecánica cuántica a principios del siglo XX, que es la llamada dualidad onda-partícula. Proporciona un marco teórico que. permite que cualquier sustancia exhiba estas dos propiedades en determinadas circunstancias. La mecánica cuántica cree que todas las partículas de la naturaleza, como fotones, electrones o átomos, se pueden expresar mediante una ecuación diferencial, como la ecuación de Schrödinger. la función de onda, que describe el estado de la partícula. La función de onda es superposición, es decir, pueden interferir y difractarse entre sí como ondas. Al mismo tiempo, la función de onda también se interpreta como una descripción de la apariencia de la partícula. Amplitud de probabilidad en una posición específica. De esta manera, la naturaleza de las partículas y la naturaleza ondulatoria se unifican en la misma explicación.
La razón por la que la naturaleza ondulatoria de los objetos no se puede observar en la vida diaria es porque su masa es. demasiado grande, como resultado, la longitud de onda característica es mucho menor que el límite observable, por lo que la escala en la que pueden ocurrir las propiedades de las ondas está fuera del rango de la experiencia de la vida diaria. Esta es la razón por la que la mecánica clásica puede explicar satisfactoriamente los "fenómenos naturales". por el contrario, para las partículas elementales, su masa y escala determinan su comportamiento, que se describe principalmente mediante la mecánica cuántica y, por lo tanto, está lejos de la imagen a la que estamos acostumbrados.
Huygens y Newton, principios de la teoría de la luz
La primera teoría integral de la luz fue desarrollada por Christian Huygens. Propuso una teoría ondulatoria de la luz, que explicaba cómo las ondas de luz forman frentes de ondas y se propagan en líneas rectas. Esta teoría también puede explicar bien el fenómeno de la refracción. Sin embargo, la teoría encontró dificultades en otros aspectos, por lo que fue rápidamente superada por la teoría de partículas de Isaac Newton. Newton creía que la luz estaba compuesta de partículas diminutas, por lo que podía explicar de forma natural el fenómeno de la reflexión. el fenómeno de refracción de las lentes con un poco de dificultad, y descomponer la luz solar en arco iris a través de prismas.
Debido al incomparable estatus académico de Newton, nadie se atrevió a proponer su teoría durante más de un siglo, y la de Huygens. No fue hasta el descubrimiento del fenómeno de la difracción a principios del siglo XIX que se volvió a reconocer la teoría ondulatoria de la luz. Sin embargo, el debate entre la naturaleza ondulatoria y la naturaleza partícula de la luz nunca se resolvió.
Información.
Fresnel, Maxwell y Young
El experimento de interferencia de doble rendija demostrado por Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel a principios del siglo XIX fue de Huygens. La teoría proporcionó la base experimental. : estos experimentos demostraron que cuando la luz pasa a través de la rejilla, se puede observar un patrón de interferencia, que es muy similar al comportamiento de interferencia de las ondas del agua y, a partir de estos patrones, se puede calcular la longitud de onda de la luz. A finales de siglo, se dio un conjunto de ecuaciones que revelaban las propiedades de las ondas electromagnéticas. El resultado de las ecuaciones fue que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas es la velocidad de la luz. Esto hizo que la explicación de la luz como ondas electromagnéticas fuera ampliamente aceptada. , y también se volvió a reconocer la teoría de Huygens.
Einstein y los fotones
En 1905, Einstein propuso una teoría sobre el efecto fotoeléctrico, que resolvió este fenómeno experimental que no podía explicarse. por la anterior teoría ondulatoria de la luz. Introdujo el concepto de fotones, un cuanto que transporta energía luminosa.
En el efecto fotoeléctrico, se observó que al irradiar un haz de luz sobre ciertos metales se produciría una cierta corriente en el circuito puede ser La inferencia es que la luz elimina los electrones del metal, haciéndolos fluir. Sin embargo, también se observó que para algunos materiales, incluso un haz débil de luz azul puede producir una corriente eléctrica. pero ninguna cantidad de luz roja, por fuerte que sea, puede inducir una corriente eléctrica en él. Según la teoría ondulatoria, la intensidad de la luz corresponde a la energía que transporta, por lo que una luz fuerte debe proporcionar una energía más fuerte para eliminar los electrones. Sin embargo, el hecho es exactamente lo contrario de lo que se esperaba.
Einstein lo describió como un efecto de cuantificación: los electrones son expulsados del metal por fotones, y cada fotón lleva una parte de energía E. Esta energía corresponde a la frecuencia de la luz ν: E=hν
Aquí h es la constante de Planck (6.626 Sólo los fotones de alta frecuencia (luz azul, no luz roja) tienen la capacidad de eliminar electrones.
Einstein ganó el Premio Nobel de Física en 1921 por su teoría del efecto fotoeléctrico.
Hipótesis de De Broglie
En 1924, Louis-Victor de Broglie observó que el establo El movimiento de los electrones en los átomos debe describirse mediante números enteros, lo cual es diferente de otros aspectos de la física. La similitud entre fenómenos enteros como la interferencia y los modos normales de vibración construyó la hipótesis de De Broglie, proponiendo que así como la luz tiene dualidad onda-partícula, las partículas físicas también tienen dualidad onda-partícula. Definió esta longitud de onda λ La relación con el momento p es: λ=h/p
Esta es una generalización de la ecuación de Einstein, porque el momento de un fotón es p =. E / c (c es la velocidad de la luz en el vacío) y λ = c / ν.
La ecuación de De Broglie fue confirmada para los electrones (con masa en reposo) tres años después mediante dos experimentos independientes de dispersión de electrones. En los Laboratorios Bell, Clinton Joseph Davisson y Lester Halbert Germer dispararon un haz de electrones de baja velocidad a un monocristal de níquel para obtener electrones después de la difracción por el monocristal, la longitud de onda medida de los electrones era consistente con la fórmula de De Broglie. de Aberdeen, George Paget Thomson utilizó electrones de alta velocidad para pasar a través de una lámina de metal policristalino para obtener patrones de difracción similares a los producidos por los rayos X sobre policristales que confirmaron de manera concluyente la naturaleza ondulatoria de los electrones. Posteriormente, otros experimentos observaron el fenómeno de difracción de los electrones. Los átomos de helio, las moléculas de hidrógeno y los neutrones y la naturaleza ondulatoria de las partículas microscópicas se han confirmado ampliamente. La microscopía electrónica, la tecnología de difracción de electrones y la tecnología de difracción de neutrones desarrolladas basándose en la naturaleza ondulatoria de las partículas microscópicas se han convertido en medios poderosos para detectar la microestructura de sustancias y. analizando estructuras cristalinas.
De Broglie propuso esta hipótesis en 1929. Ganó el Premio Nobel de Física. Thomson y Davisson ganaron el Premio Nobel de Física en 1937.
El problema de. cómo unificar la dualidad onda-partícula de la luz y las partículas microscópicas es el problema más desconcertante de la historia de la comprensión humana. No se puede decir que el problema esté completamente resuelto hasta ahora, propuso M. Born.
La explicación de la onda de probabilidad resuelve mejor este problema. Según la explicación de la onda de probabilidad, la función de onda Ψ (x, y, z, t) utilizada para describir la volatilidad de las partículas es una onda de probabilidad, no una onda de material específica; El cuadrado del valor absoluto | ψ | 2 = ψ*ψ representa la densidad de probabilidad de las partículas que aparecen en x, y y z en el momento t, y ψ* representa la función de onda ***yugo de ψ en el experimento de interferencia. de electrones que pasan a través de agujeros dobles, |ψ|2＝｜ψ1＋ψ2｜2＝｜ψ1｜2＋｜ψ2｜2＋ψ1*ψ2＋ψ1ψ2*, donde la intensidad |ψ|2 es grande, la probabilidad de que aparezcan partículas es alta y la correspondiente el número de partículas es grande Cuando la intensidad es débil, |ψ |2 es pequeña, la probabilidad de que aparezcan partículas es pequeña y el número correspondiente de partículas es pequeño ψ1*ψ2 + ψ1ψ2* es el término que refleja el efecto de interferencia. No importa si el experimento se realiza en condiciones de fuerte flujo de partículas o si el flujo de partículas es muy débil, las partículas se inyectan una por una y se repite el experimento muchas veces, y los resultados marginales de interferencia obtenidos por los dos son los mismos. /p>
El efecto de interferencia mostrado en el flujo de partículas es muy débil y las partículas se inyectan una por una en múltiples experimentos repetidos. Esto demuestra que la naturaleza ondulatoria de las partículas microscópicas no es propiedad de la agregación de un gran número. de partículas. Una sola partícula tiene propiedades ondulatorias. Por lo tanto, por un lado, las partículas son indivisibles y, por otro lado, los agujeros dobles funcionan al mismo tiempo en el experimento del doble agujero. la trayectoria de las partículas microscópicas.
Dado que las partículas microscópicas tienen dualidad onda-partícula, las leyes de movimiento seguidas por las partículas microscópicas son diferentes de las leyes de movimiento de los objetos macroscópicos. La mecánica es diferente de la mecánica clásica que describe las leyes del movimiento de objetos macroscópicos.