Cos'è la dualità onda-particella? È una caratteristica dei fotoni e di altre particelle subatomiche che si comportano come onde in alcune condizioni e come particelle in altre.
La dualità onda-particella di materia e luce è una parte importante della meccanica quantistica, perché dimostra al meglio il fatto che concetti come "onde" e "particelle", che funzionano bene nella meccanica classica, non sono sufficienti per spiegazioni del comportamento di alcuni oggetti quantistici.
La duplice natura della luce ottenne riconoscimento in fisica dopo il 1905, quando Albert Einstein descrisse il comportamento della luce usando i fotoni, che erano descritti come particelle. Poi Einstein pubblicò la meno famosa relatività speciale, che descriveva la luce come il comportamento delle onde.
Particelle che mostrano un doppio comportamento
Meglio di tutti, il principio della dualità onda-particellaosservata nel comportamento dei fotoni. Questi sono gli oggetti più leggeri e più piccoli che esibiscono un doppio comportamento. Tra oggetti più grandi, come particelle elementari, atomi e persino molecole, si possono osservare anche elementi di dualità onda-particella, ma oggetti più grandi si comportano come onde estremamente corte, quindi sono molto difficili da osservare. Di solito, i concetti usati nella meccanica classica sono sufficienti per descrivere il comportamento di particelle più grandi o macroscopiche.
Evidenza della dualità onda-particella
Le persone hanno pensato alla natura della luce e della materia per molti secoli e persino millenni. Fino a tempi relativamente recenti, i fisici ritenevano che le caratteristiche della luce e della materia dovessero essere inequivocabili: la luce può essere sia un flusso di particelle o un'onda, proprio come la materia, sia costituita da singole particelle che obbediscono completamente alle leggi della meccanica newtoniana, sia essere un mezzo continuo, inseparabile.
Inizialmente, nei tempi moderni, era popolare la teoria sul comportamento della luce come flusso di particelle individuali, cioè la teoria corpuscolare. Lo stesso Newton vi aderì. Tuttavia, fisici successivi come Huygens, Fresnel e Maxwell conclusero che la luce è un'onda. Spiegavano il comportamento della luce mediante l'oscillazione del campo elettromagnetico, e l'interazione di luce e materia in questo caso rientrava nella spiegazione della teoria classica dei campi.
Tuttavia, all'inizio del ventesimo secolo, i fisici si trovarono di fronte al fatto che né la prima né la seconda spiegazione potevanocoprire completamente l'area del comportamento della luce in varie condizioni e interazioni.
Da allora, numerosi esperimenti hanno dimostrato la dualità del comportamento di alcune particelle. Tuttavia, l'aspetto e l'accettazione della dualità onda-particella delle proprietà degli oggetti quantistici sono stati particolarmente influenzati dai primi, primi esperimenti, che hanno posto fine al dibattito sulla natura del comportamento della luce.
Effetto fotoelettrico: la luce è composta da particelle
L'effetto fotoelettrico, chiamato anche effetto fotoelettrico, è il processo di interazione della luce (o di qualsiasi altra radiazione elettromagnetica) con la materia, a seguito del quale l'energia delle particelle di luce viene trasferita alle particelle di materia. Durante lo studio dell'effetto fotoelettrico, il comportamento dei fotoelettroni non poteva essere spiegato dalla teoria elettromagnetica classica.
Heinrich Hertz notò nel 1887 che la luce ultravioletta emessa sugli elettrodi aumentava la loro capacità di creare scintille elettriche. Einstein nel 1905 spiegò l'effetto fotoelettrico con il fatto che la luce viene assorbita ed emessa da alcune porzioni quantistiche, che inizialmente chiamò quanti di luce, e poi le chiamò fotoni.
Un esperimento di Robert Milliken nel 1921 confermò il giudizio di Einstein e portò al fatto che quest'ultimo ricevette il Premio Nobel per la scoperta dell'effetto fotoelettrico, e lo stesso Millikan ricevette il Premio Nobel nel 1923 per il suo lavoro sulle particelle elementari e lo studio dell'effetto fotoelettrico.
Esperimento Davisson-Jermer: la luce è un'onda
L'esperienza di Davisson - ha confermato GermerL'ipotesi di de Broglie sulla dualità onda-particella della luce e servita come base per formulare le leggi della meccanica quantistica.
Entrambi i fisici hanno studiato la riflessione degli elettroni da un singolo cristallo di nichel. L'installazione, situata nel vuoto, consisteva in un singolo cristallo di nichel molato ad una certa angolazione. Un fascio di elettroni monocromatici è stato diretto direttamente perpendicolarmente al piano di taglio.
Gli esperimenti hanno dimostrato che come risultato della riflessione, gli elettroni sono dispersi in modo molto selettivo, cioè in tutti i fasci riflessi, indipendentemente dalle velocità e dagli angoli, si osservano massimi e minimi di intensità. Pertanto, Davisson e Germer hanno confermato sperimentalmente la presenza di proprietà delle onde nelle particelle.
Nel 1948, il fisico sovietico V. A. Fabrikant confermò sperimentalmente che le funzioni d'onda sono inerenti non solo al flusso di elettroni, ma anche a ciascun elettrone separatamente.
L'esperimento di Jung con due fessure
L'esperimento pratico di Thomas Young con due fenditure è una dimostrazione che sia la luce che la materia possono mostrare le caratteristiche sia delle onde che delle particelle.
L'esperimento di Jung dimostra praticamente la natura della dualità onda-particella, nonostante sia stato condotto per la prima volta all'inizio del XIX secolo, anche prima dell'avvento della teoria del dualismo.
L'essenza dell'esperimento è la seguente: una sorgente di luce (ad esempio un raggio laser) è diretta verso una lastra dove sono ricavate due fessure parallele. La luce che passa attraverso le fessure viene riflessa sullo schermo dietro la lastra.
La natura ondulatoria della luce fa sì che le onde luminose passino attraverso le fessuremescolare, producendo strisce chiare e scure sullo schermo, cosa che non accadrebbe se la luce si comportasse puramente come particelle. Tuttavia, lo schermo assorbe e riflette la luce e l'effetto fotoelettrico è la prova della natura corpuscolare della luce.
Cos'è la dualità onda-particella della materia?
La questione se la materia possa comportarsi nella stessa dualità della luce, ha affrontato de Broglie. Egli possiede un'ipotesi audace che, in determinate condizioni ea seconda dell'esperimento, non solo i fotoni, ma anche gli elettroni possono dimostrare la dualità onda-particella. Broglie sviluppò la sua idea di onde probabilistiche non solo di fotoni di luce, ma anche di macroparticelle nel 1924.
Quando l'ipotesi fu dimostrata usando l'esperimento Davisson-Germer e ripetendo l'esperimento della doppia fenditura di Young (con elettroni invece di fotoni), de Broglie ricevette il Premio Nobel (1929).
Si scopre che la materia può anche comportarsi come un'onda classica nelle giuste circostanze. Naturalmente, oggetti di grandi dimensioni creano onde così corte che non ha senso osservarle, ma oggetti più piccoli, come atomi o persino molecole, mostrano una lunghezza d'onda notevole, che è molto importante per la meccanica quantistica, che è praticamente costruita sulle funzioni d'onda.
Il significato della dualità onda-particella
Il significato principale del concetto di dualità onda-particella è che il comportamento della radiazione elettromagnetica e della materia può essere descritto usando un'equazione differenziale,che rappresenta la funzione d'onda. Di solito questa è l'equazione di Schrödinger. La capacità di descrivere la re altà usando le funzioni d'onda è al centro della meccanica quantistica.
La risposta più comune alla domanda su quale sia la dualità onda-particella è che la funzione d'onda rappresenta la probabilità di trovare una certa particella in un determinato luogo. In altre parole, la probabilità che una particella si trovi in una posizione prevista la rende un'onda, ma il suo aspetto fisico e la sua forma non lo sono.
Cos'è la dualità onda-particella?
Mentre la matematica, anche se in modo estremamente complesso, fa previsioni accurate basate su equazioni differenziali, il significato di queste equazioni per la fisica quantistica è molto più difficile da capire e spiegare. Un tentativo di spiegare cos'è la dualità onda-particella è ancora al centro del dibattito in fisica quantistica.
Il significato pratico della dualità onda-particella risiede anche nel fatto che ogni fisico deve imparare a percepire la re altà in un modo molto interessante, quando pensare a quasi tutti gli oggetti nel solito modo non è più sufficiente per una percezione adeguata della re altà.
