Què és la dualitat ona-partícula? És una característica dels fotons i altres partícules subatòmiques que es comporten com ones en algunes condicions i com partícules en altres.
La dualitat ona-partícula de la matèria i la llum és una part important de la mecànica quàntica, perquè demostra millor el fet que conceptes com "ones" i "partícules", que funcionen bé en la mecànica clàssica, no són suficients per explicacions del comportament d'alguns objectes quàntics.
La naturalesa dual de la llum va guanyar reconeixement a la física després de 1905, quan Albert Einstein va descriure el comportament de la llum utilitzant fotons, que es van descriure com a partícules. Aleshores Einstein va publicar la menys famosa relativitat especial, que descrivia la llum com un comportament ondulatori.
Partícules que presenten un comportament dual
El millor de tot, el principi de la dualitat ona-partículaobservat en el comportament dels fotons. Aquests són els objectes més lleugers i més petits que presenten un comportament dual. Entre els objectes més grans, com ara partícules elementals, àtoms i fins i tot molècules, també es poden observar elements de la dualitat ona-partícula, però els objectes més grans es comporten com ones extremadament curtes, de manera que són molt difícils d'observar. Normalment, els conceptes utilitzats en mecànica clàssica són suficients per descriure el comportament de partícules més grans o macroscòpiques.
Evidència de la dualitat ona-partícula
La gent ha estat pensant en la naturalesa de la llum i la matèria durant molts segles i fins i tot mil·lennis. Fins fa relativament poc, els físics creien que les característiques de la llum i la matèria havien de ser inequívoques: la llum pot ser un corrent de partícules o una ona, igual que la matèria, ja sigui constituïda per partícules individuals que obeeixen completament les lleis de la mecànica newtoniana, o bé mitjà continu i inseparable.
Inicialment, en els temps moderns, la teoria sobre el comportament de la llum com a corrent de partícules individuals, és a dir, la teoria corpuscular, era popular. El mateix Newton s'hi va adherir. Tanmateix, físics posteriors com Huygens, Fresnel i Maxwell van concloure que la llum és una ona. Van explicar el comportament de la llum per l'oscil·lació del camp electromagnètic, i la interacció de la llum i la matèria en aquest cas va caure sota l'explicació de la teoria clàssica del camp.
No obstant això, a principis del segle XX, els físics es van enfrontar al fet que ni la primera ni la segona explicació podiencobreix completament l'àrea de comportament de la llum en diverses condicions i interaccions.
Des de llavors, nombrosos experiments han demostrat la dualitat del comportament d'algunes partícules. Tanmateix, l'aparició i l'acceptació de la dualitat ona-partícula de les propietats dels objectes quàntics es va veure especialment influenciada pels primers experiments, que van posar fi al debat sobre la naturalesa del comportament de la llum.
Efecte fotoelèctric: la llum està formada per partícules
L'efecte fotoelèctric, també anomenat efecte fotoelèctric, és el procés d'interacció de la llum (o qualsevol altra radiació electromagnètica) amb la matèria, com a resultat del qual l'energia de les partícules de llum es transfereix a les partícules de matèria. Durant l'estudi de l'efecte fotoelèctric, el comportament dels fotoelectrons no es va poder explicar amb la teoria electromagnètica clàssica.
Heinrich Hertz va assenyalar el 1887 que la llum ultraviolada brillant als elèctrodes augmentava la seva capacitat per crear espurnes elèctriques. Einstein el 1905 va explicar l'efecte fotoelèctric pel fet que la llum és absorbida i emesa per certes porcions quàntiques, que inicialment va anomenar quants de llum, i després els va batejar fotons.
Un experiment de Robert Milliken el 1921 va confirmar el judici d'Einstein i va fer que aquest últim va rebre el Premi Nobel pel descobriment de l'efecte fotoelèctric, i el mateix Millikan va rebre el Premi Nobel el 1923 pel seu treball sobre partícules elementals. i l'estudi de l'efecte fotoelèctric.
Experiment de Davisson-Jermer: la llum és una ona
L'experiència de Davisson - va confirmar Germerla hipòtesi de de Broglie sobre la dualitat ona-partícula de la llum i va servir de base per formular les lleis de la mecànica quàntica.
Tots dos físics van estudiar la reflexió dels electrons d'un cristall de níquel. La configuració, situada al buit, consistia en un sòl de cristall únic de níquel amb un cert angle. Un feix d'electrons monocromàtics es va dirigir directament perpendicularment al pla de tall.
Els experiments han demostrat que com a resultat de la reflexió, els electrons es dispersen de manera molt selectiva, és a dir, en tots els feixos reflectits, independentment de velocitats i angles, s'observen màxims i mínims d'intensitat. Així, Davisson i Germer van confirmar experimentalment la presència de propietats ondulatòries a les partícules.
El 1948, el físic soviètic V. A. Fabrikant va confirmar experimentalment que les funcions d'ona són inherents no només al flux d'electrons, sinó també a cada electró per separat.
experiment de Jung amb dues ranures
L'experiment pràctic de Thomas Young amb dues escletxes és una demostració que tant la llum com la matèria poden mostrar les característiques de les ones i les partícules.
L'experiment de Jung demostra pràcticament la naturalesa de la dualitat ona-partícula, malgrat que es va dur a terme per primera vegada a principis del segle XIX, fins i tot abans de l'arribada de la teoria del dualisme.
L'essència de l'experiment és la següent: una font de llum (per exemple, un raig làser) es dirigeix a una placa on es fan dues ranures paral·leles. La llum que passa per les ranures es reflecteix a la pantalla darrere de la placa.
La naturalesa ondulatòria de la llum fa que les ones de llum passen per les escletxesbarreja, produint ratlles clares i fosques a la pantalla, cosa que no passaria si la llum es comportaria com a partícules. Tanmateix, la pantalla absorbeix i reflecteix la llum, i l'efecte fotoelèctric és una prova de la naturalesa corpuscular de la llum.
Què és la dualitat ona-partícula de la matèria?
La qüestió de si la matèria es pot comportar amb la mateixa dualitat que la llum, va plantejar De Broglie. Posseeix una hipòtesi atrevida que, sota determinades condicions i depenent de l'experiment, no només els fotons, sinó també els electrons poden demostrar la dualitat ona-partícula. Broglie va desenvolupar la seva idea de les ones de probabilitat no només de fotons de llum, sinó també de macropartícules el 1924.
Quan es va demostrar la hipòtesi mitjançant l'experiment de Davisson-Germer i repetint l'experiment de doble escletxa de Young (amb electrons en comptes de fotons), de Broglie va rebre el Premi Nobel (1929).
Resulta que la matèria també es pot comportar com una ona clàssica en les circumstàncies adequades. Per descomptat, els objectes grans creen ones tan curtes que no té sentit observar-les, però els objectes més petits, com els àtoms o fins i tot les molècules, presenten una longitud d'ona notable, que és molt important per a la mecànica quàntica, que pràcticament es basa en funcions d'ona.
El significat de la dualitat ona-partícula
El significat principal del concepte de dualitat ona-partícula és que el comportament de la radiació electromagnètica i la matèria es pot descriure mitjançant una equació diferencial,que representa la funció d'ona. Normalment aquesta és l'equació de Schrödinger. La capacitat de descriure la realitat mitjançant funcions d'ona és el cor de la mecànica quàntica.
La resposta més habitual a la pregunta de quina és la dualitat ona-partícula és que la funció d'ona representa la probabilitat de trobar una partícula determinada en un lloc determinat. En altres paraules, la probabilitat que una partícula estigui en una ubicació prevista la converteix en una ona, però el seu aspecte físic i la seva forma no ho són.
Què és la dualitat ona-partícula?
Si bé les matemàtiques, encara que d'una manera extremadament complexa, fan prediccions precises basades en equacions diferencials, el significat d'aquestes equacions per a la física quàntica és molt més difícil d'entendre i explicar. Un intent d'explicar què és la dualitat ona-partícula encara està al centre del debat de la física quàntica.
La importància pràctica de la dualitat ona-partícula també rau en el fet que qualsevol físic ha d'aprendre a percebre la realitat d'una manera molt interessant, quan pensar en gairebé qualsevol objecte de la manera habitual ja no és suficient per a una percepció adequada. de la realitat.
