Was ist Welle-Teilchen-Dualismus? Es ist eine Eigenschaft von Photonen und anderen subatomaren Teilchen, die sich unter manchen Bedingungen wie Wellen und unter anderen wie Teilchen verh alten.
Der Welle-Teilchen-Dualismus von Materie und Licht ist ein wichtiger Teil der Quantenmechanik, weil er am besten demonstriert, dass Konzepte wie "Wellen" und "Teilchen", die in der klassischen Mechanik gut funktionieren, nicht ausreichen Erklärungen des Verh altens einiger Quantenobjekte.
Die duale Natur des Lichts wurde in der Physik nach 1905 anerkannt, als Albert Einstein das Verh alten des Lichts anhand von Photonen beschrieb, die als Teilchen bezeichnet wurden. Dann veröffentlichte Einstein die weniger berühmte spezielle Relativitätstheorie, die Licht als Wellenverh alten beschrieb.
Partikel mit dualem Verh alten
Das Beste von allem ist das Prinzip der Welle-Teilchen-Dualitätim Verh alten von Photonen beobachtet. Dies sind die leichtesten und kleinsten Objekte mit dualem Verh alten. Unter größeren Objekten wie Elementarteilchen, Atomen und sogar Molekülen können auch Elemente des Welle-Teilchen-Dualismus beobachtet werden, aber größere Objekte verh alten sich wie extrem kurze Wellen und sind daher sehr schwer zu beobachten. Normalerweise reichen die Begriffe der klassischen Mechanik aus, um das Verh alten größerer oder makroskopischer Teilchen zu beschreiben.
Beweis für Welle-Teilchen-Dualität
Menschen denken seit vielen Jahrhunderten und sogar Jahrtausenden über die Natur von Licht und Materie nach. Bis vor kurzem glaubten Physiker, dass die Eigenschaften von Licht und Materie eindeutig sein müssen: Licht kann entweder ein Strom von Teilchen oder eine Welle sein, genau wie Materie, entweder aus einzelnen Teilchen bestehen, die vollständig den Gesetzen der Newtonschen Mechanik gehorchen, oder ein kontinuierliches, untrennbares Medium.
In der Neuzeit war zunächst die Theorie über das Verh alten des Lichts als Strom einzelner Teilchen, also die Korpuskulartheorie, populär. Newton selbst hielt sich daran. Spätere Physiker wie Huygens, Fresnel und Maxwell kamen jedoch zu dem Schluss, dass Licht eine Welle ist. Sie erklärten das Verh alten von Licht durch die Schwingung des elektromagnetischen Feldes, und die Wechselwirkung von Licht und Materie fiel in diesem Fall unter die Erklärung der klassischen Feldtheorie.
Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts sahen sich die Physiker jedoch mit der Tatsache konfrontiert, dass weder die erste noch die zweite Erklärung dies konntendecken den Bereich des Lichtverh altens unter verschiedenen Bedingungen und Wechselwirkungen vollständig ab.
Seitdem haben zahlreiche Experimente die Dualität des Verh altens einiger Teilchen bewiesen. Das Auftreten und die Akzeptanz des Welle-Teilchen-Dualität der Eigenschaften von Quantenobjekten wurden jedoch besonders von den ersten, frühesten Experimenten beeinflusst, die der Debatte über die Natur des Verh altens von Licht ein Ende setzten.
Photoelektrischer Effekt: Licht besteht aus Teilchen
Der photoelektrische Effekt, auch photoelektrischer Effekt genannt, ist der Prozess der Wechselwirkung von Licht (oder einer anderen elektromagnetischen Strahlung) mit Materie, wodurch die Energie von Lichtteilchen auf Materieteilchen übertragen wird. Während der Untersuchung des photoelektrischen Effekts konnte das Verh alten von Photoelektronen nicht durch die klassische elektromagnetische Theorie erklärt werden.
Heinrich Hertz stellte bereits 1887 fest, dass ultraviolettes Licht auf Elektroden ihre Fähigkeit erhöhte, elektrische Funken zu erzeugen. Einstein erklärte 1905 den photoelektrischen Effekt damit, dass Licht von bestimmten Quantenanteilen, die er zunächst Lichtquanten nannte, absorbiert und emittiert und dann Photonen genannt wurden.
Ein Experiment von Robert Milliken im Jahr 1921 bestätigte Einsteins Urteil und führte dazu, dass dieser den Nobelpreis für die Entdeckung des photoelektrischen Effekts und Millikan selbst 1923 für seine Arbeiten über Elementarteilchen den Nobelpreis erhielt und die Untersuchung des photoelektrischen Effekts.
Davisson-Jermer-Experiment: Licht ist eine Welle
Davissons Erfahrung - Germer bestätigtde Broglies Hypothese über den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts und diente als Grundlage für die Formulierung der Gesetze der Quantenmechanik.
Beide Physiker untersuchten die Reflexion von Elektronen an einem Nickel-Einkristall. Der im Vakuum befindliche Aufbau bestand aus einem in einem bestimmten Winkel geschliffenen Nickel-Einkristall. Ein Strahl monochromatischer Elektronen wurde direkt senkrecht auf die Schnittebene gerichtet.
Experimente haben gezeigt, dass Elektronen durch Reflexion sehr selektiv gestreut werden, dh in allen reflektierten Strahlen, unabhängig von Geschwindigkeit und Winkel, werden Intensitätsmaxima und -minima beobachtet. So bestätigten Davisson und Germer experimentell das Vorhandensein von Welleneigenschaften in Teilchen.
Im Jahr 1948 bestätigte der sowjetische Physiker V. A. Fabrikant experimentell, dass Wellenfunktionen nicht nur dem Fluss von Elektronen innewohnen, sondern auch jedem Elektron einzeln.
Jungs Experiment mit zwei Schlitzen
Thomas Youngs praktisches Experiment mit zwei Sp alten demonstriert, dass sowohl Licht als auch Materie die Eigenschaften von Wellen und Teilchen aufweisen können.
Jungs Experiment demonstriert praktisch die Natur des Welle-Teilchen-Dualismus, obwohl es erstmals zu Beginn des 19. Jahrhunderts durchgeführt wurde, noch vor dem Aufkommen der Theorie des Dualismus.
Der Kern des Experiments ist wie folgt: Eine Lichtquelle (z. B. ein Laserstrahl) wird auf eine Platte gerichtet, in der zwei parallele Schlitze angebracht sind. Licht, das durch die Schlitze fällt, wird auf dem Schirm hinter der Platte reflektiert.
Die Wellennatur des Lichts bewirkt, dass Lichtwellen durch Schlitze gehenmischen und auf dem Bildschirm helle und dunkle Streifen erzeugen, was nicht passieren würde, wenn sich Licht nur wie Teilchen verh alten würde. Der Bildschirm absorbiert und reflektiert jedoch Licht, und der photoelektrische Effekt ist ein Beweis für die korpuskulare Natur des Lichts.
Was ist der Welle-Teilchen-Dualismus der Materie?
Die Frage, ob sich Materie in der gleichen Dualität wie Licht verh alten kann, griff de Broglie auf. Er besitzt eine kühne Hypothese, dass unter bestimmten Bedingungen und je nach Experiment nicht nur Photonen, sondern auch Elektronen Welle-Teilchen-Dualität zeigen können. Broglie entwickelte 1924 seine Idee von Wahrscheinlichkeitswellen nicht nur von Lichtphotonen, sondern auch von Makroteilchen.
Als die Hypothese mit dem Davisson-Germer-Experiment und der Wiederholung von Youngs Doppelsp altexperiment (mit Elektronen statt Photonen) bewiesen wurde, erhielt de Broglie den Nobelpreis (1929).
Materie kann sich unter den richtigen Umständen auch wie eine klassische Welle verh alten. Natürlich erzeugen große Objekte so kurze Wellen, dass es sinnlos ist, sie zu beobachten, aber kleinere Objekte, wie Atome oder sogar Moleküle, weisen eine merkliche Wellenlänge auf, was für die Quantenmechanik, die praktisch auf Wellenfunktionen aufgebaut ist, sehr wichtig ist.
Die Bedeutung des Welle-Teilchen-Dualismus
Die Hauptbedeutung des Begriffs Welle-Teilchen-Dualismus besteht darin, dass das Verh alten von elektromagnetischer Strahlung und Materie durch eine Differentialgleichung beschrieben werden kann,was die Wellenfunktion darstellt. Normalerweise ist dies die Schrödinger-Gleichung. Die Fähigkeit, die Realität mit Hilfe von Wellenfunktionen zu beschreiben, ist das Herzstück der Quantenmechanik.
Die häufigste Antwort auf die Frage, was der Welle-Teilchen-Dualismus ist, ist, dass die Wellenfunktion die Wahrscheinlichkeit darstellt, ein bestimmtes Teilchen an einem bestimmten Ort zu finden. Mit anderen Worten, die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Partikel an einem vorhergesagten Ort befindet, macht es zu einer Welle, aber seine physische Erscheinung und Form sind es nicht.
Was ist Welle-Teilchen-Dualismus?
Während die Mathematik, wenn auch auf äußerst komplexe Weise, genaue Vorhersagen auf der Grundlage von Differentialgleichungen trifft, ist die Bedeutung dieser Gleichungen für die Quantenphysik viel schwieriger zu verstehen und zu erklären. Der Versuch zu erklären, was der Welle-Teilchen-Dualismus ist, steht immer noch im Zentrum der Debatte in der Quantenphysik.
Die praktische Bedeutung des Welle-Teilchen-Dualismus liegt auch darin, dass jeder Physiker lernen muss, die Realität auf eine sehr interessante Art und Weise wahrzunehmen, wenn es für eine adäquate Wahrnehmung nicht mehr ausreicht, an fast jeden Gegenstand in der üblichen Weise zu denken der Realität.
