O que é dualidade onda-partícula? É uma característica de fótons e outras partículas subatômicas que se comportam como ondas em algumas condições e como partículas em outras.
A dualidade onda-partícula da matéria e da luz é uma parte importante da mecânica quântica, porque demonstra melhor o fato de que conceitos como "ondas" e "partículas", que funcionam bem na mecânica clássica, não são suficientes para explicações do comportamento de alguns objetos quânticos.
A natureza dual da luz ganhou reconhecimento na física após 1905, quando Albert Einstein descreveu o comportamento da luz usando fótons, que foram descritos como partículas. Então Einstein publicou a menos famosa relatividade especial, que descrevia a luz como comportamento de onda.
Partículas exibindo comportamento duplo
O melhor de tudo, o princípio da dualidade onda-partículaobservado no comportamento dos fótons. Estes são os objetos mais leves e menores que exibem comportamento duplo. Entre objetos maiores, como partículas elementares, átomos e até moléculas, elementos da dualidade onda-partícula também podem ser observados, mas objetos maiores se comportam como ondas extremamente curtas, por isso são muito difíceis de observar. Normalmente, os conceitos usados na mecânica clássica são suficientes para descrever o comportamento de partículas maiores ou macroscópicas.
Evidência da dualidade onda-partícula
As pessoas têm pensado sobre a natureza da luz e da matéria por muitos séculos e até milênios. Até há relativamente pouco tempo, os físicos acreditavam que as características da luz e da matéria devem ser inequívocas: a luz pode ser um fluxo de partículas ou uma onda, assim como a matéria, consistindo de partículas individuais que obedecem completamente às leis da mecânica newtoniana, ou sendo um meio contínuo e inseparável.
Inicialmente, nos tempos modernos, a teoria sobre o comportamento da luz como um fluxo de partículas individuais, ou seja, a teoria corpuscular, era popular. O próprio Newton aderiu a isso. No entanto, físicos posteriores como Huygens, Fresnel e Maxwell concluíram que a luz é uma onda. Eles explicaram o comportamento da luz pela oscilação do campo eletromagnético, e a interação da luz e da matéria neste caso caiu sob a explicação da teoria clássica do campo.
No entanto, no início do século XX, os físicos se depararam com o fato de que nem a primeira nem a segunda explicação poderiamcobrir completamente a área de comportamento da luz sob várias condições e interações.
Desde então, inúmeros experimentos comprovaram a dualidade do comportamento de algumas partículas. No entanto, o aparecimento e aceitação da dualidade onda-partícula das propriedades dos objetos quânticos foram especialmente influenciados pelos primeiros experimentos, que puseram fim ao debate sobre a natureza do comportamento da luz.
Efeito fotoelétrico: a luz é composta de partículas
O efeito fotoelétrico, também chamado de efeito fotoelétrico, é o processo de interação da luz (ou qualquer outra radiação eletromagnética) com a matéria, em que a energia das partículas de luz é transferida para as partículas de matéria. Durante o estudo do efeito fotoelétrico, o comportamento dos fotoelétrons não pôde ser explicado pela teoria eletromagnética clássica.
Heinrich Hertz observou em 1887 que o brilho da luz ultravioleta nos eletrodos aumentava sua capacidade de criar faíscas elétricas. Einstein em 1905 explicou o efeito fotoelétrico pelo fato de que a luz é absorvida e emitida por certas porções quânticas, que ele inicialmente chamou de quanta de luz, e depois os chamou de fótons.
Um experimento de Robert Milliken em 1921 confirmou o julgamento de Einstein e levou ao fato de que este recebeu o Prêmio Nobel pela descoberta do efeito fotoelétrico, e o próprio Millikan recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por seu trabalho sobre partículas elementares e o estudo do efeito fotoelétrico.
Experiência de Davisson-Jermer: a luz é uma onda
Experiência de Davisson - Germer confirmadode Broglie sobre a dualidade onda-partícula da luz e serviu de base para a formulação das leis da mecânica quântica.
Ambos os físicos estudaram a reflexão de elétrons de um único cristal de níquel. A configuração, localizada no vácuo, consistia em um monocristal de níquel moído em um determinado ângulo. Um feixe de elétrons monocromáticos foi direcionado diretamente perpendicularmente ao plano de corte.
Experiências mostraram que, como resultado da reflexão, os elétrons são espalhados de forma muito seletiva, ou seja, em todos os feixes refletidos, independentemente das velocidades e ângulos, máximos e mínimos de intensidade são observados. Assim, Davisson e Germer confirmaram experimentalmente a presença de propriedades ondulatórias nas partículas.
Em 1948, o físico soviético V. A. Fabrikant confirmou experimentalmente que as funções de onda são inerentes não apenas ao fluxo de elétrons, mas também a cada elétron separadamente.
Experiência de Jung com duas fendas
O experimento prático de Thomas Young com duas fendas é uma demonstração de que tanto a luz quanto a matéria podem exibir as características de ondas e partículas.
O experimento de Jung praticamente demonstra a natureza da dualidade onda-partícula, apesar de ter sido realizado pela primeira vez no início do século 19, antes mesmo do advento da teoria do dualismo.
A essência do experimento é a seguinte: uma fonte de luz (por exemplo, um feixe de laser) é direcionada para uma placa onde são feitas duas ranhuras paralelas. A luz que passa pelas fendas é refletida na tela atrás da placa.
A natureza ondulatória da luz faz com que as ondas de luz que passam pelas fendasmix, produzindo listras claras e escuras na tela, o que não aconteceria se a luz se comportasse puramente como partículas. No entanto, a tela absorve e reflete a luz, e o efeito fotoelétrico é a prova da natureza corpuscular da luz.
O que é dualidade onda-partícula da matéria?
A questão de saber se a matéria pode se comportar na mesma dualidade que a luz, de Broglie levantou. Ele possui uma hipótese ousada de que, sob certas condições e dependendo do experimento, não apenas fótons, mas também elétrons podem demonstrar a dualidade onda-partícula. Broglie desenvolveu sua ideia de ondas de probabilidade não apenas de fótons de luz, mas também de macropartículas em 1924.
Quando a hipótese foi comprovada usando o experimento de Davisson-Germer e repetindo o experimento de dupla fenda de Young (com elétrons em vez de fótons), de Broglie recebeu o Prêmio Nobel (1929).
Acontece que a matéria também pode se comportar como uma onda clássica nas circunstâncias certas. É claro que objetos grandes criam ondas tão curtas que não faz sentido observá-los, mas objetos menores, como átomos ou mesmo moléculas, exibem um comprimento de onda perceptível, o que é muito importante para a mecânica quântica, que é praticamente construída sobre funções de onda.
O significado da dualidade onda-partícula
O principal significado do conceito de dualidade onda-partícula é que o comportamento da radiação eletromagnética e da matéria pode ser descrito usando uma equação diferencial,que representa a função de onda. Geralmente esta é a equação de Schrödinger. A capacidade de descrever a realidade usando funções de onda está no coração da mecânica quântica.
A resposta mais comum para a questão do que é a dualidade onda-partícula é que a função de onda representa a probabilidade de encontrar uma certa partícula em um determinado lugar. Em outras palavras, a probabilidade de uma partícula estar em um local previsto faz dela uma onda, mas sua aparência física e forma não são.
O que é dualidade onda-partícula?
Embora a matemática, embora de uma forma extremamente complexa, faça previsões precisas com base em equações diferenciais, o significado dessas equações para a física quântica é muito mais difícil de entender e explicar. Uma tentativa de explicar o que é a dualidade onda-partícula ainda está no centro do debate na física quântica.
O significado prático da dualidade onda-partícula também reside no fato de que qualquer físico deve aprender a perceber a realidade de uma maneira muito interessante, quando pensar em quase qualquer objeto da maneira usual não é mais suficiente para uma percepção adequada da realidade.
