لا يمكن فهم حيود الجسيمات إلا على أساس نظرية الكم، حيث أن الانعراج هو ظاهرة موجية، ولوحظ في انتشار مجموعة متنوعة من الموجات، مثل حيود الضوء، الموجات الصوتية، الموجات على سطح السائل، وما إلى ذلك، ومن وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية، فإن الانعراج مستحيل في تشتت الجسيمات.
حيود الجسيمات
ألغت ميكانيكا الكم الحد المطلق بين الموجة والجسيم، حيث أن ثنائية الجسيمات، أي الطبيعة المزدوجة للجسيمات الدقيقة، هي الاقتراح الأساسي لميكانيكا الكم، الذي يصف سلوك الجسيمات من الكيانات الصغيرة.
وبالتالي، يمكن وصف سلوك الإلكترونات في بعض الظواهر، مثل ملاحظة حركة الإلكترونات في غرفة سحابة ويلسون أو في قياس الشحنة الكهربائية في التأثير الكهروضوئي، على أساس مفهوم الجسيم، بينما في ظواهر أخرى، خاصة في ظواهر الانعراج، يمكن وصفها فقط على أساس مفهوم الموجة.
تم تقديم فكرة موجات المادة، بواسطة الفيزيائي الفرنسي L. de Broglie في عام 1924 وسرعان ما تلقت تأكيدًا رائعًا في تجارب على حيود الجسيمات، وفي ميكانيكا الكم، يمكن تمثيل الحركة الحرة لجسيم كتلته m والزخم p = mv ( حيث v هي سرعة الجسيم ) كموجة مستوية أحادية اللون ψ 0 ( موجة دي برولي ) بطول موجي.
حيود الجسيمات باستخدام المسارات الكمومية
يعد الانعراج والتداخل لموجات المادة من الظواهر الرئيسية في ميكانيكا الكم، حيث ظهرت حيود الجسيمات في مجموعة متنوعة من المواقف، من خلال تجارب الشق البسيطة إلى الحالات الأكثر تعقيدًا مثل تشتت الذرات بواسطة الأسطح المعدنية المموجة والأسطح المعدنية ذات الامتصاص البسيط والمعزول.
الحداثة الرئيسية لدراسة حيود الجسيمات هي استخدام ما يسمى بالشكلية البومية للمسارات الكمومية، حيث أن هذه المسارات قادرة على إعادة إنتاج السمات الرئيسية للنتائج التجريبية بشكل مرضٍ، والأهم من ذلك أنها توفر تفسيرًا سببيًا بديهيًا للديناميكيات الأساسية.
وعلى وجه الخصوص، في المجال القريب والبعيد في البصريات الموجية، والانتقال إلى الحد الكلاسيكي، لوحظ أنه على الرغم من أن أنماط الحيود الكمي والكلاسيكية تميل إلى أن تكون متشابهة تمامًا، إلا أن بعض الميزات الكمومية يتم الحفاظ عليها حتى عندما تذهب الكمون الكمومي إلى الصفر، وأظهرت وصف نوعي لتشتت الذرات بواسطة الأسطح المعدنية في وجود مادة كثيفة واحدة.
حيود الإلكترون
- اكتشف (Louis de Broglie) أن المادة، مثل الإلكترونات، يمكن أن تتصرف كموجة.
- أظهر أن نمط الحيود ينتج عندما يتم توجيه حزمة من الإلكترونات إلى طبقة رقيقة من الجرافيت.
- الانعراج هو خاصية للموجات، ولا يمكن تفسيره من خلال وصف الإلكترونات بالجسيمات.
نمط الانعراج عندما يتم تركيز شعاع الإلكترون من خلال بنية بلورية
- من أجل مراقبة حيود الإلكترونات، يجب أن يتم تركيزها من خلال فجوة مماثلة لحجمها، مثل الشبكة الذرية.
- يعتبر فيلم الجرافيت مثاليًا لهذا الغرض بسبب هيكله البلوري، حيث تعمل الفجوات بين المستويات المجاورة للذرات في البلورات بمثابة شقوق، مما يسمح لموجات الإلكترون بالانتشار وإنشاء نمط حيود.
- يُلاحظ نمط الانعراج على الشاشة كسلسلة من الحلقات متحدة المركز، حيث تشبه هذه الظاهرة نمط الحيود الناتج عندما يمر الضوء عبر محزوز الحيود، فإذا تصرفت الإلكترونات كجسيمات، فلن يتم ملاحظة النمط، وبدلاً من ذلك سيتم توزيع الجسيمات بشكل موحد عبر الشاشة.
- يُلاحظ أن الجهد المتسارع الأكبر يقلل من قطر حلقة معينة، بينما يزيد الجهد المتسارع المنخفض من قطر الحلقات.
التحقيق في حيود الإلكترون
- يمكن استخدام أنابيب حيود الإلكترون لفحص خصائص موجات الإلكترونات.
- يتم تسريع الإلكترونات في مسدس إلكتروني إلى إمكانات عالية، مثل 5000 فولت، ثم يتم توجيهها من خلال فيلم رقيق من الجرافيت.
- تنحرف الإلكترونات عن الفجوات بين ذرات الكربون وتنتج نمطًا دائريًا على شاشة فلورية مصنوعة من الفوسفور.
تجربة دافيسون جيرمر في حيود الجسيمات
أظهرت تجربة دافيسون جيرمر الطبيعة الموجية للإلكترون، مؤكدة الفرضية السابقة لدي بروجلي، وبوضع ازدواجية الموجة والجسيم على أساس تجريبي ثابت، فقد مثلت خطوة كبيرة إلى الأمام في تطوير ميكانيكا الكم، وتم تطبيق قانون (Bragg) للانعراج على حيود الأشعة السينية، ولكن هذا كان أول تطبيق لموجات الجسيمات.
قام العالم دافيسون وجيرمر بتصميم وبناء جهاز تفريغ لغرض قياس طاقات الإلكترونات المتناثرة من سطح معدني، وتم تسريع الإلكترونات من خيوط ساخنة بفعل الجهد والسماح لها بضرب سطح معدن النيكل، وتم توجيه شعاع الإلكترون إلى هدف النيكل، والذي يمكن تدويره لملاحظة الاعتماد الزاوي للإلكترونات المبعثرة.
حيث تم تركيب كاشف الإلكترون الخاص بهم المسمى صندوق فاراداي على قوس بحيث يمكن تدويره لمراقبة الإلكترونات في زوايا مختلفة، ولقد كانت مفاجأة كبيرة لهم عندما اكتشفوا أنه في زوايا معينة كانت هناك ذروة في شدة شعاع الإلكترون المبعثر، وأشارت هذه الذروة إلى سلوك الموجة للإلكترونات، ويمكن تفسيرها بواسطة قانون (Bragg) لإعطاء قيم للتباعد الشبكي في بلورة النيكل.
تُظهر البيانات التجريبية أعلاه، المستنسخة فوق مقالة دافيسون، قممًا متكررة لشدة الإلكترون المتناثرة مع زيادة الجهد المتسارع، حيث تم جمع هذه البيانات بزاوية تشتت ثابتة.
صورة موجات الجسيمات
استندت التجربة الأولى، التي اقترحها كلينتون دافيسون وليستر جيرمر في عام 1927، إلى فرضية طرحها في وقت سابق لويس دي بروجلي في عام 1922، واقترح دي برولي أنه إذا كان من الممكن أن تتصرف الموجات (الفوتونات) كجسيمات، كما يتضح من التأثير الكهروضوئي، ثم العكس، أي أن الجسيمات يمكن أن تتصرف كموجات.
يجب أن يكون صحيحًا، ولقد ربط الطول الموجي بجسيم مع الزخم باستخدام ثابت بلانك كثابت التناسب: λ لجسيم به زخم باستخدام ثابت بلانك كثابت التناسب: λ=hp
وهو ما يسمى الطول الموجي لـ (de Broglie)، وأكدت تجربة (Davisson-Germer)، التي أنتجت نمط حيود الإلكترونات من الإلكترونات المتناثرة من بلورة النيكل فرضية (De Broglie)، ومع ذلك لم يكن حتى عام 1961 أن أجرى كلاوس جونسون تجربة اصطدمت فيها الإلكترونات بجهاز شق، وكان هذا عبارة عن مجموعة من خمس فتحات.
تم إجراء تجربة الشق المزدوج أخيرًا في السبعينيات من قبل بيير جورجيو ميرلي وجوليو بوتزي وجيان فرانكو ميسيرولي، ومع ذلك، فإن النقطة المهمة هي أنه من خلال مثل هذه التجارب، فإن فكرة أن الإلكترونات يمكن أن تتصرف كموجات، يخلق أنماط تداخل مرتبطة عادةً بالضوء، أصبحت الآن راسخة.
تُعرف حقيقة أن الجسيمات يمكن أن تتصرف كموجات ولكن أيضًا كجسيمات، اعتمادًا على التجربة التي تجريها عليها، باسم ازدواجية موجة الجسيمات.
