Волново-частичная двойственность описывает свойства фотоны и субатомные частицы проявляют свойства как волн, так и частиц. Волново-частичная двойственность является важной частью квантовой механики, поскольку она предлагает способ объяснить, почему понятия «волна» и «частица», которые работают в классической механике, не охватывают поведение квант объекты. Двойственная природа света получила признание после 1905 года, когда Альберт Эйнштейн описал свет в терминах фотонов, которые показал свойства частиц, а затем представил свою знаменитую работу по специальной теории относительности, в которой свет действовал как поле волн.
Частицы, демонстрирующие дуальность волн-частиц
Двойственность волн и частиц была продемонстрирована для фотонов (света), элементарных частиц, атомов и молекул. Однако волновые свойства более крупных частиц, таких как молекулы, имеют чрезвычайно короткие длины волн и их трудно обнаружить и измерить. Классическая механика, как правило, достаточна для описания поведения макроскопических объектов.
Свидетельство двойственности волновых частиц
Многочисленные эксперименты подтвердили двойственность волн и частиц, но есть несколько конкретных ранних экспериментов, которые завершили дискуссию о том, состоит ли свет из волн или частиц:
Фотоэлектрический эффект - свет ведет себя как частицы
фотоэлектрический эффект это явление, когда металлы испускают электроны при воздействии света. Поведение фотоэлектроны не может быть объяснено классической электромагнитной теорией. Генрих Герц отметил, что сияющий ультрафиолетовый свет на электродах повышает их способность создавать электрические искры (1887). Эйнштейн (1905) объяснил фотоэлектрический эффект как результат света, переносимого в дискретных квантованных пакетах. Эксперимент Роберта Милликена (1921) подтвердил описание Эйнштейна и привел к тому, что Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году за «свое открытие закона фотоэлектрический эффект "и Милликан получил Нобелевскую премию в 1923 году за" его работу по элементарному заряду электричества и по фотоэлектрическому эффект».
Эксперимент Дэвиссона-Гермера - Свет ведет себя как волна
Эксперимент Дэвиссона-Гермера подтвердил гипотезу Дебролья и послужил основой для формулировки квантовой механики. Эксперимент по существу применил закон дифракции Брэгга к частицам. Экспериментальный вакуумный прибор измерял энергию электронов, рассеянных от поверхности нагретой проволочной нити, и позволял ударить поверхность металлического никеля. Электронный пучок можно вращать, чтобы измерить влияние изменения угла на рассеянные электроны. Исследователи обнаружили, что интенсивность рассеянного луча достигла пика под определенными углами. Это указывало на волновое поведение и могло быть объяснено применением закона Брэгга к интервалу кристаллической решетки никеля.
Эксперимент Томаса Янга с двумя щелями
Эксперимент Юнга с двумя щелями можно объяснить с помощью дуальности волны-частицы. Излучаемый свет удаляется от своего источника как электромагнитная волна. При попадании в щель волна проходит через щель и разделяется на два волновых фронта, которые перекрываются. В момент попадания на экран волновое поле «коллапсирует» в одну точку и становится фотоном.