Apakah itu dualiti zarah gelombang? Ia adalah ciri foton dan zarah subatomik lain yang berkelakuan seperti gelombang dalam beberapa keadaan dan seperti zarah di bawah yang lain.
Dualiti zarah-gelombang bagi jirim dan cahaya ialah bahagian penting dalam mekanik kuantum, kerana ia paling baik menunjukkan fakta bahawa konsep seperti "gelombang" dan "zarah", yang berfungsi dengan baik dalam mekanik klasik, tidak mencukupi untuk penjelasan tentang kelakuan beberapa objek kuantum.
Sifat dwi cahaya mendapat pengiktirafan dalam fizik selepas tahun 1905, apabila Albert Einstein menerangkan tingkah laku cahaya menggunakan foton, yang digambarkan sebagai zarah. Kemudian Einstein menerbitkan relativiti khas yang kurang terkenal, yang menggambarkan cahaya sebagai tingkah laku gelombang.
Partikel yang mempamerkan dua tingkah laku
Terbaik sekali, prinsip dualiti zarah gelombangdiperhatikan dalam tingkah laku foton. Ini adalah objek paling ringan dan terkecil yang mempamerkan dua tingkah laku. Antara objek yang lebih besar, seperti zarah asas, atom, dan juga molekul, unsur-unsur dualiti gelombang-zarah juga boleh diperhatikan, tetapi objek yang lebih besar berkelakuan seperti gelombang yang sangat pendek, jadi ia sangat sukar untuk diperhatikan. Biasanya, konsep yang digunakan dalam mekanik klasik sudah memadai untuk menggambarkan kelakuan zarah yang lebih besar atau makroskopik.
Bukti dualiti zarah gelombang
Orang ramai telah memikirkan tentang sifat cahaya dan jirim selama berabad-abad dan bahkan beribu tahun. Sehingga baru-baru ini, ahli fizik percaya bahawa ciri-ciri cahaya dan jirim mestilah jelas: cahaya boleh sama ada aliran zarah atau gelombang, sama seperti jirim, sama ada terdiri daripada zarah individu yang mematuhi sepenuhnya undang-undang mekanik Newtonian, atau menjadi medium berterusan, tidak boleh dipisahkan.
Pada mulanya, pada zaman moden, teori tentang kelakuan cahaya sebagai aliran zarah individu, iaitu teori korpuskular, adalah popular. Newton sendiri mematuhinya. Walau bagaimanapun, ahli fizik kemudiannya seperti Huygens, Fresnel dan Maxwell membuat kesimpulan bahawa cahaya ialah gelombang. Mereka menerangkan kelakuan cahaya oleh ayunan medan elektromagnet, dan interaksi cahaya dan jirim dalam kes ini berada di bawah penjelasan teori medan klasik.
Namun, pada awal abad kedua puluh, ahli fizik berhadapan dengan hakikat bahawa penjelasan pertama mahupun kedua tidak dapatmeliputi sepenuhnya kawasan gelagat cahaya dalam pelbagai keadaan dan interaksi.
Sejak itu, banyak eksperimen telah membuktikan dualiti tingkah laku sesetengah zarah. Walau bagaimanapun, penampilan dan penerimaan dualiti zarah-gelombang bagi sifat objek kuantum terutamanya dipengaruhi oleh eksperimen terawal yang pertama, yang menamatkan perdebatan tentang sifat kelakuan cahaya.
Kesan fotoelektrik: cahaya terdiri daripada zarah
Kesan fotoelektrik, juga dipanggil kesan fotoelektrik, ialah proses interaksi cahaya (atau mana-mana sinaran elektromagnet lain) dengan jirim, akibatnya tenaga zarah cahaya dipindahkan ke zarah jirim. Semasa kajian tentang kesan fotoelektrik, kelakuan fotoelektron tidak dapat dijelaskan oleh teori elektromagnet klasik.
Heinrich Hertz menyatakan pada tahun 1887 bahawa cahaya ultraviolet yang bersinar pada elektrod meningkatkan keupayaan mereka untuk mencipta percikan elektrik. Einstein pada tahun 1905 menjelaskan kesan fotoelektrik oleh fakta bahawa cahaya diserap dan dipancarkan oleh bahagian kuantum tertentu, yang pada mulanya dia panggil quanta cahaya, dan kemudian menggelarkannya sebagai foton.
Satu percubaan oleh Robert Milliken pada tahun 1921 mengesahkan penghakiman Einstein dan membawa kepada fakta bahawa yang terakhir menerima Hadiah Nobel untuk penemuan kesan fotoelektrik, dan Millikan sendiri menerima Hadiah Nobel pada tahun 1923 untuk kerjanya pada zarah asas dan kajian tentang kesan fotoelektrik.
Percubaan Davisson-Jermer: cahaya ialah gelombang
Pengalaman Davisson - Germer mengesahkanHipotesis de Broglie tentang dualiti gelombang-zarah cahaya dan berfungsi sebagai asas untuk merumuskan hukum mekanik kuantum.
Kedua-dua ahli fizik mengkaji pantulan elektron daripada kristal tunggal nikel. Persediaan, yang terletak di dalam vakum, terdiri daripada tanah kristal tunggal nikel pada sudut tertentu. Pancaran elektron monokromatik diarahkan terus berserenjang dengan satah potong.
Eksperimen telah menunjukkan bahawa sebagai hasil pantulan, elektron bertaburan dengan sangat selektif, iaitu, dalam semua rasuk pantulan, tanpa mengira kelajuan dan sudut, keamatan maksimum dan minima diperhatikan. Oleh itu, Davisson dan Germer secara eksperimen mengesahkan kehadiran sifat gelombang dalam zarah.
Pada tahun 1948, ahli fizik Soviet V. A. Fabrikant secara eksperimen mengesahkan bahawa fungsi gelombang wujud bukan sahaja dalam aliran elektron, tetapi juga dalam setiap elektron secara berasingan.
Percubaan Jung dengan dua celah
Percubaan praktikal Thomas Young dengan dua celah ialah demonstrasi bahawa cahaya dan jirim boleh mempamerkan ciri-ciri kedua-dua gelombang dan zarah.
Eksperimen Jung secara praktikal menunjukkan sifat dualiti zarah-gelombang, walaupun pada hakikatnya ia pertama kali dijalankan pada awal abad ke-19, bahkan sebelum kemunculan teori dualisme.
Intipati eksperimen adalah seperti berikut: sumber cahaya (contohnya, pancaran laser) diarahkan ke plat di mana dua slot selari dibuat. Cahaya yang melalui celah dipantulkan pada skrin di belakang pinggan.
Sifat gelombang cahaya menyebabkan gelombang cahaya melalui celah kegaul, menghasilkan coretan terang dan gelap pada skrin, yang tidak akan berlaku jika cahaya berkelakuan seperti zarah semata-mata. Walau bagaimanapun, skrin menyerap dan memantulkan cahaya, dan kesan fotoelektrik adalah bukti sifat korpuskular cahaya.
Apakah itu dualiti zarah gelombang bagi jirim?
Persoalan sama ada jirim boleh berkelakuan dalam dualitas yang sama seperti cahaya, de Broglie menjawab. Dia memiliki hipotesis yang berani bahawa, dalam keadaan tertentu dan bergantung kepada eksperimen, bukan sahaja foton, tetapi juga elektron boleh menunjukkan dualiti gelombang-zarah. Broglie mengembangkan ideanya tentang gelombang kebarangkalian bukan sahaja foton cahaya, tetapi juga makrozarah pada tahun 1924.
Apabila hipotesis dibuktikan menggunakan eksperimen Davisson-Germer dan mengulangi eksperimen celah dua Young (dengan elektron dan bukannya foton), de Broglie menerima Hadiah Nobel (1929).
Ternyata jirim juga boleh berkelakuan seperti gelombang klasik dalam keadaan yang betul. Sudah tentu, objek besar mencipta gelombang yang sangat pendek sehingga tidak bermakna untuk memerhatikannya, tetapi objek yang lebih kecil, seperti atom atau bahkan molekul, mempamerkan panjang gelombang yang ketara, yang sangat penting untuk mekanik kuantum, yang secara praktikal dibina berdasarkan fungsi gelombang.
Maksud dualiti zarah gelombang
Maksud utama konsep dualiti gelombang-zarah ialah tingkah laku sinaran elektromagnet dan jirim boleh diterangkan menggunakan persamaan pembezaan,yang mewakili fungsi gelombang. Biasanya ini adalah persamaan Schrödinger. Keupayaan untuk menggambarkan realiti menggunakan fungsi gelombang adalah teras kepada mekanik kuantum.
Jawapan yang paling biasa kepada soalan tentang dualiti gelombang-zarah ialah fungsi gelombang mewakili kebarangkalian mencari zarah tertentu di tempat tertentu. Dalam erti kata lain, kebarangkalian zarah berada di lokasi yang diramalkan menjadikannya gelombang, tetapi rupa dan bentuk fizikalnya tidak.
Apakah itu dualiti zarah gelombang?
Walaupun matematik, walaupun dalam cara yang sangat kompleks, membuat ramalan yang tepat berdasarkan persamaan pembezaan, maksud persamaan ini untuk fizik kuantum adalah lebih sukar untuk difahami dan dijelaskan. Percubaan untuk menerangkan apakah dualiti zarah gelombang masih menjadi pusat perdebatan dalam fizik kuantum.
Kepentingan praktikal dualiti gelombang-zarah juga terletak pada hakikat bahawa mana-mana ahli fizik mesti belajar untuk melihat realiti dengan cara yang sangat menarik, apabila memikirkan hampir mana-mana objek dengan cara biasa tidak lagi mencukupi untuk persepsi yang mencukupi realiti.
