Κυματοσωματιδιακός δυϊσμός

Αρχείο:Photoelectric effect in a solid - schematic diagram.svg

Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ηλεκτρόνια εκπέμπονται από την ύλη, λαμβάνοντας την απαιτούμενη ενέργεια από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός είναι το κυριότερο χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας, και μία ειδοποιός διαφορά της σε σχέση με την κλασική θεώρηση της φύσης. Συνίσταται στο γεγονός ότι οι θεμελιώδεις οντότητες της φύσης παρουσιάζουν και κυματική και σωματιδιακή συμπεριφορά.

Η αρχή του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού της ύλης: Όλα τα φυσικά σωματίδια έχουν και κυματική συμπεριφορά παράλληλα με τη σωματιδιακή, όχι όμως ταυτόχρονα. Οι σχέσεις που συνδέουν τα σωματιδιακά χαρακτηριστικά ενέργειας $E$ και ορμής $p$ με τα κυματικά της συχνότητας $f$ και μήκους κύματος $\lambda$ είναι οι:

$f={\frac {E}{h}}{\text{ , }}\lambda ={\frac {h}{p}}$

είναι δηλαδή οι ίδιες με εκείνες που ισχύουν για το φως αλλά λυμένες ως προς συχνότητα και μήκος κύμματος, αφού είναι τώρα η παράγωγη ιδιότητα.

Τα σωματίδια (ηλεκτρόνιο, πρωτόνιο, νετρόνιο κ.α.) στην κλασσική φυσική θεωρούνται ως "τμήματα ύλης", παρόμοια με τα μακροσκοπικά αντικείμενα (κάτι σαν την μπάλα του γκολφ αλλά πολύ μικρότερων διαστάσεων).Το κύριο χαρακτηριστικό τους είναι ότι είναι εντοπισμένα στο χώρο, δηλαδή μπορούμε με κάποια ακρίβεια να περιγράψουμε τις συντεταγμένες τους με 3 αριθμούς (στον τρισδιάστατο χώρο). Από την άλλη μεριά, το "κύμα" είναι μία διαταραχή ενός ελαστικού μέσου, ή ενός πεδίου, που διαδίδεται με κάποια ταχύτητα. Το πεδίο "απλώνεται" στο χώρο και για να το περιγράψουμε απαιτείται ένα ορισμένο πλήθος αριθμών (βαθμοί ελευθερίας) για κάθε σημείο του χώρου. Οι δύο εικόνες, αν κριθούν με βάση τις αισθήσεις μας, είναι τελείως ασύμβατες: το κύμα και το κομμάτι ύλης που λέμε σωματίδιο φαίνονται διαφορετικά πράγματα.

Η φύση όμως δεν ακολουθεί πάντα αυτό που σε μάς "φαίνεται" φυσιολογικό. Αρχικά αποδείχθηκε ότι το φως έχει και τις δύο ιδιότητες: είναι κύμα, αλλά και σωματίδιο (φωτόνιο, Πλανκ: 1900). Αργότερα με μία τολμηρή υπόθεση ο Ντε Μπρολί απέδωσε κυματικές ιδιότητες στο ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα του υδρογόνου, με μήκος κύματος αντιστρόφως ανάλογο της ενέργειάς του.

Η ανάκριση της φύσης (πείραμα) έχει αποδείξει άπειρες φορές έκτοτε ότι αυτή η θεώρηση είναι σωστή. Τα σωματίδια έχουν και κυματικές ιδιότητες (παρουσιάζουν κυματική συμπεριφορά, για παράδειγμα συμβολή και περίθλαση) και τα κύματα έχουν και σωματιδιακές (συμπεριφέρονται σαν ρεύμα σωματιδίων, ιδίως κατά την εκπομπή και την απορρόφησή τους). Σε κάποια φαινόμενα εκδηλώνεται η κυματική φύση ενός σωματιδίου, ενώ σε κάποια άλλα εκδηλώνεται η σωματιδιακή του φύση. Η διαφορά με την κλασική θεώρηση του κύματος, στην περίπτωση που ένα σωματίδιο εκδηλώνει την κυματική του φύση, είναι ότι δεν πρόκειται για υλικό κύμα αλλά για κύμα πιθανότητας.

Οι δύο φύσεις αυτές είναι συμπληρωματικές. Η μία δεν αναιρεί την άλλη.