ما هو مبدأ ازدواجية الجسيمات الموجي؟
مع تطور التأثير الكهروضوئي و”تأثير كومبتون” و”نموذج بور للذرة” اكتسبت فكرة الضوء أو في الواقع الإشعاعات بشكل عام، كونها تتكون من جسيمات أو كوانتا المنفصلة، شعبية واسعة، ومع ذلك، فإنّ مبدأ (Huygen) الراسخ ونتائج تجارب يونج ذات الشق المزدوج أوضحت تمامًا أنّ الضوء عبارة عن موجة وليس جسيمات تدفق.
كان نمط التداخل اللافت للنظر الذي تمّ ملاحظته من خلال تمرير الضوء عبر الشقوق المزدوجة نتيجة لطبيعة موجة الضوء بالتأكيد، أدى هذا مرة أخرى إلى إثارة الجدل حول طبيعة الضوء، في عام (1704)، اقترح “نيوتن” أيضًا الطبيعة الجسيمية للضوء من خلال نظريته الجسيمية.
شرح مبدأ ازدواجية الجسيمات الموجي:
لم تكن أي من النظريتين كافية بما يكفي لشرح جميع الظواهر المرتبطة بالضوء، وهكذا بدأ العلماء في استنتاج أنّ للضوء طبيعة موجية وجسيمية، في عام (1924)، ابتكر الفيزيائي الفرنسي “لويس دي برولي” نظرية، اقترح أنّ جميع الجسيمات في هذا الكون مرتبطة بطبيعة الموجة أيضًا، أي كل شيء في هذا العالم سواء كان فوتونًا صغيرًا أو فيلًا عملاقًا، كل شيء له موجة مرتبطة بنفسه، إنّها مسألة مختلفة أنّ طبيعة الموجة نستطيع ملاحظتها أو لا نستطيع، قام بتعيين الطول الموجي لكل مادة بكتلة (m) والزخم (p)، بالمعادلة التالية:
λ = h/p
حيث: (h) ثابت بلانك، (p = mv)، و(v) هي سرعة الجسم.
وبالتالي، نظرًا للكتلة الهائلة للفيل، فإنّه يتمتع بزخم كبير جدًا وبالتالي طول موجي صغير جدًا، لا يمكننا ملاحظته، ومع ذلك، فإنّ الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات، وما إلى ذلك، لها كتلة صغيرة جدًا، وبالتالي طول الموجة أو طبيعة الموجة ملحوظة جدًا، تساعدنا نظرية “دي بروي” أيضًا على تفسير الوجود المنفصل للمدارات في “نموذج بور للذرة”.
سيوجد الإلكترون في مدار إذا كان طوله يساوي مضاعفًا متكاملًا لطوله الموجي الطبيعي، إذا كان غير قادر على إكمال طوله الموجي، فلن يكون هذا المدار موجودًا، أدت التطورات الإضافية التي قام بها “دافيسون” و”جيرمر” إلى حيود الإلكترون من البلورة ونمط التداخل المماثل الذي تمّ الحصول عليه بعد قصف شق مزدوج بالإلكترونات إلى تعزيز نظرية موجة المادة لدي “برولي” أو “نظرية ازدواجية الجسيمات الموجية”.
تأثير كومبتون – Compton Effect:
في التأثير الكهروضوئي، يضرب الضوء معدنًا على شكل حزمة من الجسيمات تسمّى الفوتونات، تساهم طاقة فوتون واحد في طاقة وظيفة العمل لإلكترون واحد كما توفر الطاقة الحركية لذلك الإلكترون المنبعث، هذه الفوتونات هي الجسيمات مثل سلوك الموجة الضوئية. اقترح السير “ألبرت أينشتاين” أنّ الضوء هو التأثير الجماعي لعدد هائل من حزم الطاقة تسمّى الفوتون حيث يحتوي كل فوتون على طاقة (hf). حيث (h) هو ثابت بلانك و(f) هو تردد الضوء.
هذا هو سلوك الجسيمات مثل الموجة الضوئية، يمكن تفسير سلوك الجسيمات مثل الموجة الضوئية أو غيرها من الموجات الكهرومغناطيسية بتأثير كومبتون. في هذه التجربة، وقع شعاع واحد من الأشعة السينية بتردد (fo) وطول موجة (λo) على إلكترون، بعد اصطدام الإلكترون بالأشعة السينية العارضة، وجد أنّ كلا من الإلكترون والأشعة السينية الساقطة مبعثران في زاويتين مختلفتين فيما يتعلق بمحور الأشعة السينية الساقطة.
يخضع هذا التصادم لمبدأ مبادلة الطاقة (energy conversation) تمامًا مثل اصطدام جسيمات نيوتن، لقد وجد أنّه بعد التصادم، يتم تسريع الإلكترون في اتجاه معين وتنحرف الأشعة السينية الساقطة في اتجاه آخر ولوحظ أيضًا أنّ الشعاع المنعرج له تردد وطول موجة مختلفان عن الأشعة السينية الساقطة. نظرًا لأنّ طاقة الفوتون تختلف باختلاف التردد، يمكن استنتاج أنّ الأشعة السينية الساقطة تفقد طاقة أثناء التصادمات وأنّ تواتر الشعاع المنعرج دائمًا أقل من تردد الأشعة السينية الساقطة.
تساهم هذه الطاقة المفقودة لفوتون الأشعة السينية في الطاقة الحركية لحركة الإلكترون، هذا الاصطدام بالأشعة السينية أو الفوتون والإلكترون يشبه تمامًا جسيمات نيوتن مثل كرات لوحة الإعلانات (Billboard balls).
معادلة تأثير كومبتون:
يتم إعطاء طاقة الفوتون بواسطة المعادلة التالية:
E = h f
= h (C / λ)
E = m C2
∴ E = h (C /λ ) = mC2 ⇒ m = h/λC
p = mC = h/λ
لذلك يمكن إثبات زخم الفوتون على أنّه:
p = h/λ …. (1)
والتي يمكن كتابتها كـالتالي:
λ = h / p …. (2)
من المعادلة (1) يمكن استنتاج أنّ الموجة الكهرومغناطيسية ذات الطول الموجي (λ) سيكون لها الفوتون مع الزخم (p)، من المعادلة (2) يمكن استنتاج أنّ الجسيم ذي الزخم (p) يرتبط بطول الموجة (λ)، هذا يعني أنّ الموجة لها خصائص تشبه الجسيمات، كما أنّ الجسيم عند الحركة يُظهر سلوكًا يشبه الموجة.
