Laine-osakeste duaalsus
Laine-osakese duaalsus on ehk üks kõige segadusttekitavamaid mõisteid füüsikas, sest see on nii erinev kõigest, mida me tavamaailmas näeme.
1700. ja 1800. aastatel valgust uurinud füüsikud vaidlesid selle üle, kas valgus koosneb osakestest või lainetest. Tundub, et valgus teeb mõlemat. Kohati tundub, et valgus liigub ainult sirgjooneliselt, justkui oleks ta valmistatud osakestest. Teised katsed aga näitavad, et valgusel on sagedus ja lainepikkus, nagu helilainel või veelaine. Kuni 20. sajandini arvas enamik füüsikuid, et valgus on kas üks või teine ja et teisel poolel olevad teadlased lihtsalt eksivad.
Praegune olukord
Selle probleemiga tegelesid Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr. Praegune teaduslik teooria on, et kõik osakesed käituvad nii lainetena kui ka osakestena. See on tõestatud elementaarosakeste ja liitosakeste, nagu aatomid ja molekulid, puhul. Makroskoopiliste osakeste puhul ei ole nende äärmiselt lühikeste lainepikkuste tõttu laineomadusi tavaliselt võimalik tuvastada.
Katse
1909. aastal otsustas üks teadlane nimega Geoffrey Taylor, et ta kavatseb selle vaidluse lõplikult lahendada. Ta laenas Thomas Youngi poolt varem leiutatud eksperimenti, mille käigus valgus paistis läbi kahe väikese, üksteise kõrval asuva augu. Kui läbi nende kahe väikese augu paistis heledat valgust, tekitas see interferentsimustri, mis näis näitavat, et valgus on tegelikult laine.
Taylori idee oli pildistada aukudest väljuvat valgust spetsiaalse, valguse suhtes ebatavaliselt tundliku kaameraga. Kui läbi aukude paistis ere valgus, näitas foto interferentsmustrit, nagu Young varem näitas. Seejärel lülitas Taylor valguse väga hämaraks. Kui valgus oli piisavalt hämar, näitasid Taylori fotod pisikesi valguspunkte, mis hajusid aukudest välja. See näis näitavat, et valgus oli tegelikult osakest. Kui Taylor lasi hämaral valgusel piisavalt kaua läbi aukude paista, täitsid punktid lõpuks foto uuesti interferentsmustriks. See näitas, et valgus oli kuidagi nii laine kui ka osakese.
Et asi veelgi segasemaks muutuks, pakkus Louis de Broglie välja, et aine võib toimida samamoodi. Seejärel tegid teadlased samu katseid elektronidega ja leidsid, et ka elektronid on kuidagi nii osakesed kui ka lained. Elektronidega saab teha Youngi topeltlõhekatse.
Tänapäeval on neid katseid teinud nii palju erinevaid inimesi, et teadlased lihtsalt nõustuvad sellega, et nii aine kui ka valgus on kuidagi nii lained kui ka osakesed. Teadlased ei ole ikka veel kindlad, kuidas see võib olla, kuid nad on üsna kindlad, et see peab olema tõsi. Kuigi tundub võimatu mõista, kuidas miski saab olla nii laine kui ka osakese, on teadlastel nende asjade kirjeldamiseks olemas hulk võrrandeid, milles on muutujad nii lainepikkuse (laine omadus) kui ka impulsi (osakese omadus) jaoks. Seda näilist võimatust nimetatakse laine-osakese duaalsuseks.
Põhiteooria
Laine-osakese duaalsus tähendab, et kõik osakesed omavad nii laine- kui ka osakeseomadusi. See on kvantmehaanika keskne mõiste. Klassikalised mõisted nagu "osakese" ja "laine" ei kirjelda täielikult kvantmõõtkavaliste objektide käitumist.
Osakesed kui lained
Elektronil on lainepikkus, mida nimetatakse "de Broglie'i lainepikkuseks". Seda saab arvutada, kasutades võrrandit
λ D = h ρ {\displaystyle \lambda _{D}={\frac {h}{\rho}} 
λ D {\displaystyle \lambda _{D}}
on de Broglie lainepikkus.
h {\displaystyle h}
on Plancki konstant
ρ \displaystyle \rho }
on osakese impulss.
See tekitas idee, et elektronid aatomites näitavad seisva laine mustrit.
Lained kui osakesed
Fotoelektriline efekt näitab, et valgusfotoon, millel on piisavalt energiat (piisavalt kõrge sagedus), võib põhjustada elektroni eraldumist metalli pinnalt. Elektroneid võib sel juhul nimetada fotoelektronideks.
Seotud leheküljed
- Max Planck
- Kvantmehaanika
