Dualismul undă-corpuscul

În cadrul fizicii, dualismul corpuscul-undă se referă la faptul că materia prezintă simultan proprietăţi corpusculare şi ondulatorii. Este vorba despre un concept central al mecanicii cuantice, care a înlocuit teoriile clasice asupra naturii materiei. Anumite fenomene pun în evidenţă caracterul ondulatoriu (interferenţa, difracţia, polarizarea), pe când altele demonstrează caracterul corpuscular (emisia şi absorbţia luminii, efectul fotoelectric, efectul Compton). Bazându-se pe studiul acestor fenomene, teoriile clasice propuneau modele în care un obiect era considerat fie o particulă, fie o undă. Ideea dualităţii a apărut în legătură cu natura luminii, Louis de Broglie fiind cel care a generalizat conceptul. În mecanica cuantică, lumina nu este considerată nici undă, nici corpuscul în sensul clasic, ci este unitatea celor două, fără o delimitare precisă.

În formalismul clasic, lumina era considerată undă electromagnetică, prezentând fenomene ondulatorii cum ar fi interferenţa, difracţia, polarizarea. Odată cu descoperirea efectului fotoelectric în 1887 de către Heinrich Rudolf Hertz, a fost necesară introducerea unei noi teorii care să justifice fenomenul, întrucât cea clasică era în contradicţie cu rezultatele experimentale.

În 1905, Albert Einstein explica legile efectului fotoelectric presupunând că lumina este alcătuită din particule (numite fotoni) şi aplicând ipoteza lui Planck, conform căreia energia este cuantificată.

Louis de Broglie a extins teoria lui Einstein, susţinând că orice particulă în mişcare are asociată o undă. Teza lui de doctorat este publicată în anul 1924, dar el primeşte premiul Nobel abia în 1929, după ce teoria sa este verificată experimental.

Difracţia electronilor

În 1927, Clinton Joseph Davisson şi Lester Halbert Germer au evidenţiat comportamentul ondulatoriu al electronilor. Experimentul lor a fost una dintre cele mai importante confirmări a ipotezei lui de Broglie. Ei au utilizat un tun electronic ce trimitea un fascicul de electroni, acceleraţi sub o diferenţă de potenţial U, pe un monocristal de nichel. Acesta se comportă ca o reţea de difracţie, facând posibilă observarea unei figuri de interferenţă.

Conform teoriei difracţiei, se obţine o valoare maximă a intensităţii undelor rezultate pentru

unde reprezintă diferenţa de drum; este distanţa dintre planele cristalografice ; este unghiul dintre fasciculul incident şi planul

cristalografic;

este un număr întreg; reprezintă lungimea de undă a radiaţiei.

reflexia pe un cristal de nichel

Lungimea de undă poate fi modificată variind tensiunea de accelerare.Calculând lungimea de undă din relaţia lui de Broglie se obţine

Experimental se constată echivalenţa celor două relaţii. Spre exemplu, pentru maximul

de ordinul care se obţine la şi având , lungimea de undă va fi

.

Condiţiile respective corespund unei tensiuni de accelerare . Înlocuind în relaţia

lui de Broglie se obţine aceeaşi valoare a lunigimii de undă