Какво представлява корпускулярно-вълновият дуализъм: определение на термина, свойства

Какво представлява корпускулярно-вълновият дуализъм?? Това описва фотоните и други субатомни частици, които при едни условия се държат като вълни, а при други - като частици.

Корпускулярно-вълновият дуализъм на материята и светлината е важна част от на квантовата механика, тъй като с неговата най-добър демонстрира факта, че понятия като "вълни" и "частици", които се използват добре в класическата механика, не са достатъчни за обяснение на поведението на някои квантови обекти.

Двойствената природа на светлината получава признание във физиката след 1905 г., когато Алберт Айнщайн описва поведението на светлината с фотони, които са описани като частици. След това Айнщайн публикува по-малко известната специална теория на относителността, в която светлината се описва чрез поведението на вълните.

Частици с дуалистично поведение

Принципът на корпускулярно-вълновия дуализъм се наблюдава най-добре в поведението на фотоните. Това са най-леките и най-малките обекти, които имат дуалистично поведение. Сред по-големи обекти, като елементарни частици, атоми и дори молекули, също могат да се наблюдават елементи на дуализма частица-вълна, но по-големите обекти се държат като изключително къси вълни, така че е много трудно да се наблюдават. Обикновено, за да се опише поведението на по-големи или макроскопични частици, са достатъчни понятията, използвани в класическата механика.

Доказателства за дуалността на корпускуларните вълни

В продължение на векове и дори хилядолетия хората са се чудили за природата на светлината и материята. До сравнително неотдавна физиците смятаха, че характеристиките на светлината и материята трябва да бъдат еднозначни: светлината може да бъде или поток от частици, или вълна, точно както материята, която или се състои от отделни частици, напълно подчиняващи се на законите на Нютоновата механика, или е непрекъсната, неделима среда.

Първоначално, в Новото време, е била популярна теорията за поведението на светлината като поток от отделни частици, т.е. корпускулярната теория. Това беше теорията на самия Нютон. По-късно обаче физици като Хюйгенс, Френел и Максуел стигат до заключението, че светлината е вълна. Те обясняват поведението на светлината с флуктуациите на електромагнитните полета, а взаимодействието на светлината и материята в този случай попада в обхвата на обяснението на класическата теория на полето.

В началото на ХХ век обаче физиците осъзнават, че нито първото, нито второто обяснение могат да обхванат напълно поведението на светлината при различни условия и взаимодействия.

Оттогава многобройни експерименти доказват дуалистичното поведение на някои частици. Особено влияние върху появата и приемането на свойството на корпускулярно-вълновия дуализъм на квантовите обекти обаче оказват първите, най-ранни експерименти, които ...да го успокоите В споровете за естеството на поведението на светлината.

Фотоефектът: светлината е съставена от частици

Фотоефектът, наричан още фотоелектричен ефект, е процес, при който светлината (или друго електромагнитно лъчение) взаимодейства с материята, като предава енергията на светлинните частици на частици от материята. По време на изследването на фотоелектричния ефект поведението на фотоелектроните не може да се обясни с класическата електромагнитна теория.

Още през 1887 г. Хайнрих Херц забелязва, че насочването на ултравиолетова светлина към електродите увеличава способността им да създават електрически искри. През 1905 г. Айнщайн обяснява фотоелектричния ефект с факта, че светлината се поглъща и излъчва от определени квантови части, които той първоначално нарича кванти светлина, а по-късно кръщава фотони.

Експериментът на Робърт Миликен през 1921 г. потвърждава преценката на Айнщайн и води до, че последният получава Нобелова награда през 1923 г. за откриването на фотоелектричния ефект, а самият Миликен получава Нобелова награда през 1923 г. за работата си върху елементарните частици и фотоелектричния ефект.

Експериментът на Дейвисън-Жермер: светлината е вълна

Експериментът на Дейвисън-Жермер потвърждава предположението на дьо Бройл за дуалността частица-вълна на светлината и служи като основа за формулиране на законите на квантовата механика.

Двамата физици изучават отразяването на електрони от никелов монокристал. Апаратът във вакуум се състои от никелов монокристал, шлифован под определен ъгъл. Директно перпендикулярно на равнината на процепа се насочва сноп монохроматични електрони.

Експериментите показват, че в резултат на отражението електроните се разсейват много избирателно, т.е. във всички отразени лъчи, независимо от скоростите и ъглите, се наблюдават максимуми и минимуми на интензитета. По този начин Дейвисън и Гермер доказват експериментално вълновите свойства на частиците.

През 1948 г. съветският физик В. А. Фабрикант експериментално доказва, че вълновите функции са присъщи не само на потока от електрони, но и на всеки електрон поотделно.

Експериментът на Юнг с два процепа

Практическият експеримент на Томас Юнг с два процепа е демонстрация, че светлината и материята могат да имат характеристиките на вълни и частици.

Експериментът на Юнг на практика демонстрира естеството на корпускулярно-вълновата дуалност, въпреки че е извършен за първи път в началото на XIX в., още преди да се появи теорията за дуалността.

Същността на експеримента е следната: източник на светлина (например лазерен лъч) се насочва към плоча с два успоредни процепа. Светлината, преминаваща през процепите, се отразява върху екрана зад плочата.

Вълнообразният характер на светлината кара светлинните вълни, преминаващи през процепите, да се смесват, създавайки светли и тъмни ивици на екрана, което не би се случило, ако светлината се държеше изключително като частици. Въпреки това екранът поглъща и отразява светлината, а фотоефектът е доказателство за корпускулярната природа на светлината.

Какво представлява корпускулярно-вълновият дуализъм на материята?

Въпросът дали материята може да се държи по същия дуален начин като светлината е повдигнат от дьо Бройл. Той изказва смелата хипотеза, че при определени условия и в зависимост от експеримента не само фотоните, но и електроните могат да проявят корпускулярно-вълнов дуализъм. През 1924 г. Броли развива идеята си за вероятностните вълни не само за фотоните на светлината, но и за макрочастиците.

Когато хипотезата е доказана с експеримента на Дейвисън-Жермер и с повторението на експеримента на Юнг с два процепа (с електрони вместо фотони), дьо Бройл получава Нобелова награда (1929 г.).

Оказва се, че материята също може да се държи да се държи като.. Класическа вълна при подходящи обстоятелства. Разбира се, големите обекти създават толкова къси вълни, че е безсмислено да се наблюдават, но по-малките обекти, като атоми или дори молекули, показват забележими дължини на вълните, което е много важно за квантовата механика, която на практика се основава на вълновите функции.

Значението на корпускулярно-вълновия дуализъм

Основното значение на концепцията за корпускулярно-вълновия дуализъм е, че поведението на електромагнитното излъчване и материята може да се опише с помощта на диференциално уравнение, което представлява вълнова функция. Обикновено това е уравнението на Шрьодингер. Възможността за описание на реалността с вълнови функции е в основата на квантовата механика.

Най-честият отговор на въпроса какво представлява корпускулярно-вълновият дуализъм е, че вълновата функция представлява вероятността да се намери определена частица на определено място. С други думи, вероятността една частица да се намира на предсказано място я прави вълна, но физическата ѝ форма не е вълна.

Какво е дуализъм частици-вълни?

Докато математиката, макар и по много сложен начин, прави точни прогнози въз основа на диференциални уравнения, значението на тези уравнения за квантовата физика е много по-трудно за разбиране и обяснение. Опитът да се обясни корпускулярно-вълновият дуализъм все още е в центъра на дебата по квантова физика.

Практическото значение на корпускулярно-вълновия дуализъм се състои и в това, че всеки физик трябва да се научи да възприема реалността по много интересен начин, когато мисленето за почти всеки обект по обичайния начин вече не е достатъчно за адекватното възприемане на реалността.