Dualità onda-particella
La dualità onda-particella è forse uno dei concetti più confusi della fisica, perché è così diversa da qualsiasi cosa che vediamo nel mondo ordinario.
I fisici che hanno studiato la luce nel 1700 e 1800 hanno avuto una discussione se la luce fosse fatta di particelle o di onde. La luce sembra fare entrambe le cose. A volte, la luce sembra andare solo in linea retta, come se fosse fatta di particelle. Ma altri esperimenti mostrano che la luce ha una frequenza e una lunghezza d'onda, proprio come un'onda sonora o un'onda d'acqua. Fino al 20° secolo, la maggior parte dei fisici pensava che la luce fosse o l'una o l'altra, e che gli scienziati dall'altra parte della barricata avessero semplicemente torto.
Situazione attuale
Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr hanno lavorato su questo problema. La teoria scientifica attuale è che tutte le particelle si comportano sia come onde che come particelle. Questo è stato verificato per le particelle elementari e per le particelle composte come gli atomi e le molecole. Per le particelle macroscopiche, a causa delle loro lunghezze d'onda estremamente corte, le proprietà delle onde di solito non possono essere rilevate.
Esperimento
Nel 1909, uno scienziato di nome Geoffrey Taylor decise che avrebbe risolto questo argomento una volta per tutte. Prese in prestito un esperimento inventato in precedenza da Thomas Young, in cui la luce veniva fatta passare attraverso due piccoli fori uno accanto all'altro. Quando una luce brillante veniva fatta passare attraverso questi due piccoli fori, si creava un modello di interferenza che sembrava dimostrare che la luce era in realtà un'onda.
L'idea di Taylor era di scattare una foto della luce che usciva dai fori con una macchina fotografica speciale che era insolitamente sensibile alla luce. Quando una luce brillante veniva fatta passare attraverso i fori, la foto mostrava un modello di interferenza, proprio come Young aveva mostrato prima. Taylor ha poi abbassato la luce ad un livello molto basso. Quando la luce era abbastanza fioca, le foto di Taylor mostravano minuscoli puntini di luce che si disperdevano dai fori. Questo sembrava dimostrare che la luce era effettivamente una particella. Se Taylor permetteva alla luce fioca di brillare attraverso i fori abbastanza a lungo, i puntini alla fine riempivano la foto per creare di nuovo un modello di interferenza. Questo dimostrava che la luce era in qualche modo sia un'onda che una particella.
Per rendere le cose ancora più confuse, Louis de Broglie suggerì che la materia potesse agire allo stesso modo. Gli scienziati hanno poi eseguito questi stessi esperimenti con gli elettroni, e hanno scoperto che anche gli elettroni sono in qualche modo sia particelle che onde. Gli elettroni possono essere usati per fare l'esperimento della doppia fenditura di Young.
Oggi, questi esperimenti sono stati fatti in così tanti modi diversi da così tante persone diverse che gli scienziati accettano semplicemente che sia la materia che la luce sono in qualche modo sia onde che particelle. Gli scienziati sono ancora incerti su come questo possa essere, ma sono abbastanza certi che debba essere vero. Anche se sembra impossibile capire come qualcosa possa essere sia un'onda che una particella, gli scienziati hanno una serie di equazioni per descrivere queste cose che hanno variabili per la lunghezza d'onda (una proprietà delle onde) e la quantità di moto (una proprietà delle particelle). Questa apparente impossibilità è chiamata dualità onda-particella.
Teoria di base
La dualità onda-particella significa che tutte le particelle mostrano sia proprietà d'onda che di particella. Questo è un concetto centrale della meccanica quantistica. I concetti classici come "particella" e "onda" non descrivono completamente il comportamento degli oggetti su scala quantistica.
Particelle come onde
Un elettrone ha una lunghezza d'onda chiamata "lunghezza d'onda di de Broglie". Può essere calcolata utilizzando l'equazione
λ D = h ρ {displaystyle \lambda _{D}={frac {h}{rho }} 
λ D {displaystyle \lambda _{D}
è la lunghezza d'onda di de Broglie.
h 
è la costante di Planck
ρ {displaystyle \rho }
è la quantità di moto della particella.
Questo ha reso l'idea che gli elettroni negli atomi mostrano un modello di onde stazionarie.
Onde come particelle
L'effetto fotoelettrico mostra che un fotone di luce che ha abbastanza energia (una frequenza abbastanza alta), può causare il rilascio di un elettrone dalla superficie di un metallo. Gli elettroni in questo caso possono essere chiamati fotoelettroni.
Pagine correlate
- Max Planck
- Meccanica quantistica
