Co je korpuskulární vlnový dualismus: definice pojmu, vlastnosti

Co je dualismus korpuskulárních vln? Jedná se o charakterizaci fotonů a dalších subatomárních částic, které se za určitých podmínek chovají jako vlny a za jiných jako částice.

Korpuskulární vlnový dualismus látek a světla je důležitou součástí kvantové mechaniky, protože s jeho pomocí nejlépe ukazuje se skutečnost, že pojmy jako "vlny" a "částice", které fungují skvěle v klasické mechanice, nestačí k vysvětlení chování některých kvantových objektů.

Dvojí charakter světla získal uznání ve fyzice po roce 1905, kdy Albert Einstein popsal chování světla pomocí fotonů, které byly popsány jako částice. Einstein poté publikoval méně slavnou speciální relativitu, ve které bylo světlo popsáno chováním vln.

Částice vykazující dvojí chování

Princip korpuskulárního vlnového dualismu je nejlépe pozorován v chování fotonů. Jedná se o nejlehčí a nejmenší objekty, které vykazují ambivalentní chování. Mezi většími objekty, jako jsou elementární částice, atomy a dokonce i molekuly, lze také pozorovat prvky dualismu korpuskulární vlny, avšak větší objekty se chovají jako vlny extrémně krátké délky, takže je velmi obtížné je pozorovat. K popisu chování větších nebo makroskopických částic obvykle stačí pojmy používané v klasické mechanice.

Důkazy o dualismu korpuskulární vlny

Lidé po mnoho staletí a dokonce tisíciletí přemýšleli o povaze světla a hmoty. Až do relativně nedávné doby se fyzici domnívali, že vlastnosti světla a hmoty jsou povinny být jednoznačné: světlo může být buď proudem částic, vlnou, stejně jako látka, která se skládá z jednotlivých částic zcela podléhajících zákonům newtonovské mechaniky, nebo je pevným, neoddělitelným médiem.

Zpočátku byla v nové době populární teorie o chování světla jako toku jednotlivých částic, tj. Držel ji sám Newton. Pozdější fyzici jako Huygens, Fresnel a Maxwell však dospěli k závěru, že světlo je vlna. Chování světla vysvětlili oscilací elektromagnetického pole a interakce světla a hmoty v tomto případě spadala pod vysvětlení klasické teorie pole.

Na počátku 20. století se však fyzici setkali, že ani první ani druhé vysvětlení nemůže zcela pokrýt oblast chování světla za různých podmínek a interakcí.

Od té doby četné experimenty prokázaly dualismus chování některých částic. Zvláštní vliv na vznik a přijetí korpuskulárního vlnového dualismu vlastnosti kvantových objektů však měly první, nejčasnější experimenty, které stanovili bod ve sporech o povahu chování světla.

Foto efekt: světlo se skládá z částic

Fotoelektrický efekt, který se také nazývá fotoelektrický efekt, je proces interakce světla (nebo jakéhokoli jiného elektromagnetického záření) s hmotou, který přenáší energii částic světla na částice hmoty. Během studia fotografického efektu nemohlo být chování fotoelektronů vysvětleno klasickou elektromagnetickou teorií.

Heinrich Hertz již v roce 1887 poznamenal, že směr ultrafialového světla na elektrody zvýšil jejich schopnost vytvářet elektrické jiskry. Einstein v roce 1905 vysvětlil fotografický efekt skutečností, že světlo je absorbováno a emitováno určitými kvantovými porcemi, které původně nazýval kvantami světla, a poté je nazval fotony.

Experiment Roberta Millikena z roku 1921 potvrdil Einsteinovy úsudky a vedl k, co je poslední získal Nobelovu cenu za objev fotografického efektu a sám Milliken získal Nobelovu cenu v roce 1923 za práci na elementárních částicích a studium fotografického efektu.

Zkušenosti Davisson-Germer: světlo je vlna

Zkušenosti Davisson-Germera potvrdily de Broglieho hypotézu korpuskulárního vlnového dualismu světla a sloužily jako základ pro formulaci zákonů kvantové mechaniky.

Oba fyzici studovali odraz elektronů z monokrystalu niklu. Zařízení ve vakuu sestávalo z monokrystalu niklu broušeného v určitém úhlu. Přímo kolmo k rovině řezu byl veden paprsek monochromatických elektronů.

Experimenty ukázaly, že v důsledku odrazu jsou elektrony rozptýleny velmi selektivně, to znamená, že ve všech odražených paprscích, bez ohledu na rychlosti a úhly, jsou pozorovány maxima a minima intenzity. Davisson a Jermer tak experimentálně potvrdili přítomnost vlnových vlastností částic.

V roce 1948 sovětský fyzik v. A. Fabricant experimentálně potvrdil, že vlnové funkce jsou vlastní nejen toku elektronů, ale také každému elektronu Samostatně.

Jungova zkušenost se dvěma štěrbinami

Praktický experiment Thomase Junga se dvěma štěrbinami je ukázkou toho, že světlo i hmota mohou vykazovat vlastnosti vln i částic.

Jungův experiment prakticky demonstruje povahu korpuskulárního vlnového dualismu, přestože byl poprvé proveden na počátku 19. století, ještě před příchodem teorie dualismu.

Podstata experimentu je následující: světelný zdroj (například laserový paprsek) směřuje k desce, kde jsou vytvořeny dvě paralelní štěrbiny. Světlo procházející mezerami se odráží na obrazovce za deskou.

Vlnová povaha světla způsobuje, že se světelné vlny procházející mezerami mísí a vytvářejí na obrazovce světlé a tmavé pruhy, což by se nestalo, kdyby se světlo chovalo výhradně jako částice. Obrazovka však absorbuje a odráží světlo a fotografický efekt je důkazem korpuskulární povahy světla.

Co je korpuskulární vlnový dualismus hmoty?

Otázka, zda se hmota může chovat stejně duálně jako světlo, se zabývala de Broglie. Vlastní odvážnou hypotézu, že za určitých podmínek a v závislosti na experimentu mohou nejen fotony, ale také elektrony vykazovat dualismus korpuskulárních vln. Broglie rozvinul svou představu o pravděpodobnostních vlnách nejen fotonů světla, ale také makročástic v roce 1924.

Když byla hypotéza prokázána Davisson-Germerovým experimentem a opakováním Jungovy zkušenosti se dvěma štěrbinami (s elektrony místo fotonů), získal de Broglie Nobelovu cenu (1929).

Jak se ukazuje, hmota může také vést sebe jako klasická vlna za správných okolností. Velké objekty samozřejmě vytvářejí tak krátké vlny, že je zbytečné je pozorovat, ale menší objekty, jako jsou atomy nebo dokonce molekuly, vykazují znatelnou vlnovou délku, což je velmi důležité pro kvantovou mechaniku, která je prakticky postavena na vlnových funkcích.

Význam dualismu korpuskulární vlny

Hlavním významem konceptu korpuskulárního vlnového dualismu je, že chování elektromagnetického záření a hmoty lze popsat pomocí diferenciální rovnice, která představuje vlnovou funkci. Toto je obvykle Schrödingerova rovnice. Schopnost popsat realitu pomocí vlnových funkcí je jádrem kvantové mechaniky.

Nejčastější odpovědí na otázku, co je korpuskulární vlnový dualismus, je, že vlnová funkce představuje pravděpodobnost nalezení určité částice na určitém místě. Jinými slovy, pravděpodobnost, že částice skončí na předpovězeném místě, z ní dělá vlnu a její fyzický vzhled a tvar vlny nejsou.

Co je dualismus korpuskulárních vln?

Zatímco matematika, i když velmi komplikovaným způsobem, dělá přesné předpovědi založené na diferenciálních rovnicích, význam těchto rovnic pro kvantovou fyziku je mnohem obtížnější pochopit a vysvětlit. Pokus vysvětlit, co je korpuskulární vlnový dualismus, je dodnes středem debaty o kvantové fyzice.

Praktickým významem korpuskulárního vlnového dualismu je také to, že každý fyzik se musí naučit vnímat realitu velmi zajímavým způsobem, když přemýšlení o téměř jakémkoli objektu obvyklým způsobem již nestačí k adekvátnímu vnímání reality.