Διπλή φύση ακτινοβολίας και ύλης

Η διπλή φύση της ύλης και η διπλή φύση της ακτινοβολίας ήταν επαναστατικές έννοιες της φυσικής. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα από τα καλύτερα κρυμμένα μυστικά της φύσης γύρω στα τέλη του εικοστού αιώνα:τη δυαδικότητα των κυματικών σωματιδίων ή τη διπλή φύση της ύλης και της ακτινοβολίας. Όλα είναι ένα κύμα και ένα σωματίδιο ταυτόχρονα.

Το κεφάλαιο Διπλή Φύση της Ύλης και της Ακτινοβολίας, όπως υποδηλώνει το όνομά του, ασχολείται με τη δυαδικότητα στη φύση της ύλης, συγκεκριμένα τη σωματιδιακή και την κυματική φύση. Πραγματοποιήθηκαν διάφορα πειράματα από διάφορους επιστήμονες για να το αποδείξουν. Το φως, για παράδειγμα, μπορεί να λειτουργήσει και ως κύμα και ως σωματίδιο. Αν κοιτάξετε φαινόμενα όπως η παρεμβολή, η περίθλαση ή η ανάκλαση, θα παρατηρήσετε ότι το φως λειτουργεί σαν κύμα. Όταν πρόκειται για φαινόμενα όπως το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φως, από την άλλη πλευρά, συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο.

Φωτοηλεκτρικό εφέ

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εκπομπής φωτοηλεκτρονίου από μια μεταλλική επιφάνεια όταν μια δέσμη φωτός κατάλληλης συχνότητας προσπίπτει σε αυτήν. Τα φωτοηλεκτρόνια είναι τα ακτινοβολούμενα ηλεκτρόνια, ενώ το φωτοηλεκτρικό ρεύμα είναι το ρεύμα που παράγεται ως αποτέλεσμα.

Η παρατήρηση από τον Hertz Heinrich αναπτύχθηκε φωτοηλεκτρική εκπομπή το 1887 ενώ διεξήγαγε ένα πείραμα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Όταν η πλάκα εκπομπής φωτίστηκε από το υπεριώδες φως από μια λάμπα τόξου, ενισχύθηκε η πειραματική του έρευνα σχετικά με τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων μέσω σπινθήρα κατά μήκος του βρόχου του ανιχνευτή.

Παρατήρηση από τον Lenard Όταν η υπεριώδης ακτινοβολία επιτρέπεται να πέσει στην πλάκα εκπομπής ενός εκκενωμένου γυάλινου σωλήνα που περικλείει δύο ηλεκτρόδια, ρέει ρεύμα, σύμφωνα με τον Lenard. Οι ροές του ρεύματος σταμάτησαν μόλις έκλεισαν οι ακτινοβολίες UV. Αυτά τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι όταν το υπεριώδες φως χτυπά την πλάκα εκπομπής, απελευθερώνονται ηλεκτρόνια και το ηλεκτρικό πεδίο τα έλκει στη θετική πλάκα.

Φωτοηλεκτρική Αρχή

Τα ηλεκτρόνια που συνδέονται με τα άτομα έχουν μοναδικές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις, σύμφωνα με την κβαντομηχανική. Η ζώνη σθένους είναι η υψηλότερη ενεργειακή διαμόρφωση (ή ενεργειακή ζώνη) που γενικά καταλαμβάνουν τα ηλεκτρόνια σε ένα δεδομένο υλικό και ο βαθμός στον οποίο γεμίζεται επηρεάζει την ηλεκτρική αγωγιμότητα της ουσίας. Η ζώνη σθένους ενός τυπικού αγωγού (μετάλλου) είναι περίπου κατά το ήμισυ γεμάτη με ηλεκτρόνια που ρέουν εύκολα από άτομο σε άτομο, μεταφέροντας ρεύμα.

Η φωτοαγωγιμότητα προκαλείται από τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από το φως, καθώς και από μια ροή θετικού φορτίου. Τα αρνητικά φορτία που λείπουν στη ζώνη σθένους, γνωστά ως «οπές», αντιστοιχούν σε ηλεκτρόνια που ανυψώνονται στη ζώνη αγωγιμότητας. Όταν ο ημιαγωγός φωτίζεται, τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές ενισχύουν τη ροή του ρεύματος.

Η ακτινοβολία υψηλότερης συχνότητας, όπως οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα, προκαλούν άλλες φωτοηλεκτρικές αντιδράσεις. Ακόμη και κοντά στον ατομικό πυρήνα, όπου τα ηλεκτρόνια είναι στενά συνδεδεμένα, αυτά τα φωτόνια υψηλότερης ενέργειας μπορούν να απελευθερώσουν ηλεκτρόνια.

Φωτογραφία

Το κβάντο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι το φωτόνιο. Ο όρος κβαντικό αναφέρεται στη μικρότερη διακριτή ποσότητα κάτι ή στη μικρότερη στοιχειακή μονάδα μιας ποσότητας. Ως αποτέλεσμα, ένα φωτόνιο είναι ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Το Quanta είναι ο πληθυντικός του quantum.

Η κβαντική μηχανική και η κβαντική θεωρία είναι υπεύθυνες για τις έννοιες των φωτονίων και των κβαντών. Η κβαντομηχανική είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο. Στα μικρότερα μεγέθη που μπορεί κανείς να φανταστεί, αποδεικνύει ότι η ύλη και η ενέργεια είναι κβαντοποιημένες ή έρχονται σε μικρές διακριτές δέσμες. Η ταχύτητα του φωτός είναι η ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει ένα φωτόνιο.

Αντί να περιγράφει το συνολικό κύμα, ένα φωτόνιο περιγράφει τις ιδιότητες των σωματιδίων ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Για να το θέσω αλλιώς, μπορούμε να σκεφτούμε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα ως μια συλλογή μεμονωμένων φωτονίων. Και οι δύο αναπαραστάσεις ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι έγκυρες και αμοιβαίες.

Το φως, για παράδειγμα, έχει κυματικές ιδιότητες όταν διαθλάται ή παρεμβάλλεται σε αυτό. Όταν το φως ταξιδεύει από το ένα μέσο στο άλλο (για παράδειγμα, από τον αέρα στο νερό), συμβαίνει διάθλαση και παρεμβολή συμβαίνει όταν τα κύματα φωτός συγκρούονται μεταξύ τους. Οι ιδιότητες των σωματιδίων αποκαλύπτονται όταν το φως εκπέμπεται ή απορροφάται.

Υπόθεση De Broglie

Σύμφωνα με την υπόθεση De Broglie, όλη η ύλη έχει και ιδιότητες σωματιδίων και κυμάτων. Το μήκος κύματος De Broglie περιέγραψε τον κυματικό χαρακτήρα ενός σωματιδίου ως =h/p, όπου p είναι η ορμή του σωματιδίου, ή =h/mv,  όπου m είναι η μάζα του σωματιδίου και v είναι η ταχύτητα του σωματιδίου. Αυτή η σχέση ισχύει τόσο για μικροσκοπικά όσο και για μακροσκοπικά αντικείμενα.

Αρχή αβεβαιότητας Heisenberg

Η αρχή της αβεβαιότητας, γνωστή και ως η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg ή η αρχή της απροσδιοριστίας, είναι μια δήλωση του Γερμανού φυσικού Werner Heisenberg το 1927. Δηλώνει ότι η θέση και η ταχύτητα ενός αντικειμένου δεν μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια την ίδια στιγμή, ακόμη και στη θεωρία. Στην πραγματικότητα, στη φύση, οι έννοιες της απόλυτης θέσης και της ακριβούς ταχύτητας δεν έχουν καμία σχέση.

Η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου δημιουργεί την αρχή της αβεβαιότητας. Κάθε σωματίδιο έχει ένα κύμα συνδεδεμένο με αυτό και κάθε σωματίδιο συμπεριφέρεται με κυματοειδές τρόπο. Το σωματίδιο είναι πιο πιθανό να βρίσκεται εκεί όπου οι κυματισμοί του κύματος είναι οι πιο έντονοι ή ισχυροί. Ωστόσο, όσο πιο ισχυροί γίνονται οι κυματισμοί του συσχετιζόμενου κύματος, τόσο πιο κακώς ορισμένο γίνεται το μήκος κύματος, το οποίο καθορίζει την ορμή του σωματιδίου.

Συμπέρασμα

Σε αυτό το άρθρο μελετήσαμε τη διπλή φύση της ακτινοβολίας και της ύλης, τα φωτόνια και επίσης συζητήσαμε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως το φως, προσπίπτει σε ένα υλικό, προκαλεί την εκπομπή ηλεκτρονίων.

Τα φωτοηλεκτρόνια είναι ηλεκτρόνια που εκπέμπονται με αυτόν τον τρόπο. Για να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τις ιδιότητες των ατόμων, των μορίων και των στερεών, τα φαινόμενα ερευνώνται στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, στη χημεία στερεάς κατάστασης και στην κβαντική χημεία. Το εφέ χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικά συστήματα που έχουν σχεδιαστεί για να ανιχνεύουν φως και να εκπέμπουν ηλεκτρόνια σε συγκεκριμένους χρόνους.

Το αποτέλεσμα έρχεται σε αντίθεση με τον παραδοσιακό ηλεκτρομαγνητισμό, ο οποίος δηλώνει ότι τα συνεχή κύματα φωτός μεταφέρουν ενέργεια στα ηλεκτρόνια, τα οποία στη συνέχεια εκπέμπονται όταν έχουν συσσωρεύσει αρκετή ενέργεια.