Dualiteit van golven en deeltjes

Golf-deeltje dualiteit is misschien wel een van de meest verwarrende concepten in de natuurkunde, omdat het zo weinig lijkt op wat we in de gewone wereld zien.

Natuurkundigen die in de jaren 1700 en 1800 licht bestudeerden, hadden ruzie over de vraag of licht uit deeltjes of uit golven bestond. Licht lijkt beide te doen. Soms lijkt licht alleen in een rechte lijn te gaan, alsof het uit deeltjes bestaat. Maar andere experimenten tonen aan dat licht een frequentie en golflengte heeft, net als een geluidsgolf of een watergolf. Tot in de 20e eeuw dachten de meeste natuurkundigen dat licht óf het een óf het ander was, en dat de wetenschappers aan de andere kant van het argument het gewoon bij het verkeerde eind hadden.

Huidige situatie

Max Planck, Albert Einstein, Louis de Broglie, Arthur Compton, Niels Bohr werkten aan dit probleem. De huidige wetenschappelijke theorie is dat alle deeltjes zich zowel als golven als als deeltjes gedragen. Dit is geverifieerd voor elementaire deeltjes, en voor samengestelde deeltjes zoals atomen en moleculen. Voor macroscopische deeltjes kunnen golfeigenschappen gewoonlijk niet worden waargenomen vanwege hun extreem korte golflengte.

Experiment

In 1909 besloot een wetenschapper, Geoffrey Taylor genaamd, dat hij dit argument voor eens en altijd zou beslechten. Hij leende een experiment dat eerder was uitgevonden door Thomas Young, waarbij licht door twee kleine gaatjes vlak naast elkaar werd geschenen. Wanneer helder licht door deze twee kleine gaatjes werd geschenen, ontstond een interferentiepatroon dat leek aan te tonen dat licht eigenlijk een golf was.

Taylors idee was om een foto te maken van het licht dat uit de gaatjes kwam met een speciale camera die ongebruikelijk gevoelig was voor licht. Wanneer helder licht door de gaatjes werd geschenen, toonde de foto een interferentiepatroon, precies zoals Young eerder had laten zien. Taylor verminderde het licht toen tot een zeer zwak niveau. Wanneer het licht zwak genoeg was, toonden Taylor's foto's kleine lichtpuntjes die uit de gaatjes verstrooiden. Dit leek aan te tonen dat licht eigenlijk een deeltje was. Als Taylor het zwakke licht lang genoeg door de gaatjes liet schijnen, vulden de puntjes uiteindelijk de foto op om weer een interferentiepatroon te vormen. Dit toonde aan dat licht op de een of andere manier zowel een golf als een deeltje was.

Om het nog verwarrender te maken, suggereerde Louis de Broglie dat materie zich op dezelfde manier zou kunnen gedragen. Wetenschappers voerden vervolgens dezelfde experimenten uit met elektronen, en ontdekten dat ook elektronen op de een of andere manier zowel deeltjes als golven zijn. Elektronen kunnen worden gebruikt om Youngs dubbele-spleetexperiment uit te voeren.

Vandaag de dag zijn deze experimenten op zoveel verschillende manieren uitgevoerd door zoveel verschillende mensen dat wetenschappers eenvoudigweg accepteren dat zowel materie als licht op de een of andere manier zowel golven als deeltjes zijn. Wetenschappers zijn er nog steeds niet zeker van hoe dit kan, maar ze zijn er vrij zeker van dat het waar moet zijn. Hoewel het onmogelijk lijkt te begrijpen hoe iets zowel een golf als een deeltje kan zijn, hebben wetenschappers toch een aantal vergelijkingen om deze dingen te beschrijven die variabelen hebben voor zowel golflengte (een golfeigenschap) als momentum (een deeleigenschap). Deze schijnbare onmogelijkheid wordt de golf-deeltje dualiteit genoemd.

Basistheorie

Golf-deeltje dualiteit betekent dat alle deeltjes zowel golf- als deeltjeseigenschappen vertonen. Dit is een centraal concept van de kwantummechanica. Klassieke begrippen als "deeltje" en "golf" beschrijven het gedrag van objecten op kwantumschaal niet volledig.

Deeltjes als golven

Een elektron heeft een golflengte die de "de Broglie-golflengte" wordt genoemd. Deze kan worden berekend met de vergelijking

λ D = h ρ {\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}} $\lambda _{D}={\frac {h}{\rho }}$

λ D {\lambda _{D}} $\lambda _{D}$ is de de Broglie-golflengte.

h $h$ is de constante van Planck

ρ $\rho$ is het momentum van het deeltje.

Hierdoor ontstond het idee dat elektronen in atomen een staande-golfpatroon vertonen.

Golven als deeltjes

Het foto-elektrisch effect toont aan dat een lichtfoton dat voldoende energie heeft (een voldoende hoge frequentie), een elektron kan doen vrijkomen van het oppervlak van een metaal. Elektronen kunnen in dit geval foto-elektronen worden genoemd.