वेव-कण द्वंद्व: क्या एक इलेक्ट्रॉन एक कण या एक लहर है?

Introduction to light | Electronic structure of atoms | Chemistry | Khan Academy (जून 2019).

Anonim

लाइट को स्पेसटाइम के माध्यम से एक तरंग वफ़िंग माना जाता था, जैसे तालाब में एक लहर, 1 9 05 तक, जब आइंस्टीन ने दिखाया कि यह एक कण की तरह व्यवहार करता है। यह एक चौंकाने वाला रहस्योद्घाटन था। आइंस्टीन ने अंततः एक उत्सुक भौतिकी की समस्या का समाधान किया था कि धातु पर प्रकाश की घटना इसकी सतह से इलेक्ट्रॉनों को कैसे खटखटाएगी। उन्होंने महसूस किया कि यह केवल तभी संभव होगा जब प्रकाश लहर की तरह व्यवहार न करे, बल्कि कठोर पत्थरों, या फोटॉन के अलग-अलग पैकेट की तरह व्यवहार करें, जैसा कि उन्होंने उन्हें बुलाया था। प्रकाश कण उसी तरह इलेक्ट्रॉनों को खटखटाएगा कि एक क्यू गेंद 8-बॉल खटखटाती है। टाइम-ट्रैवल के रूप में कुछ दिमाग-दबाने के रूप में चित्रण करने के बावजूद, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को समझाने के लिए आइंस्टीन ने इस खोज के लिए नोबेल पुरस्कार जीता।

आइंस्टीन ने अपनी खोज के बाद से प्रकाश के दोहरे जीवन में भौतिकविदों को परेशान किया है। (फोटो क्रेडिट: पिक्सल)

इस खोज के साथ, आइंस्टीन ने अब वेव-कण द्वंद्व कहा जाता है। लाइट एक दोहरी जिंदगी का नेतृत्व करता है - यह एक लहर के रूप में मौजूद होता है जब एक मोमबत्ती की चमक एक वस्तु के चारों ओर बहती है जो इसके पथ को बाधित करती है, लेकिन यह एक लेजर के नोजल से निकाले जाने पर एक कण के रूप में भी मौजूद है। हालांकि, क्या यह सिर्फ प्रकाश है जो इस चंचल व्यक्तित्व से संपन्न है? प्रकृति ऐसी असममितता को प्रोत्साहित क्यों करेगी? या, लहर भी लहरों में मौजूद है? लुई डी ब्रोगली द्वारा उनके पीएचडी में उठाए गए प्रश्न थे। थीसिस 1 9 24 में। उन्होंने क्या निष्कर्ष निकाला? हां, पदार्थ भी लहरों की तरह व्यवहार करता है।

डबल स्लिट प्रयोग

डेविसन और गार्नर ने एक ऐतिहासिक प्रयोग किया जिसमें दिखाया गया है कि जब इलेक्ट्रॉनों को दो स्लिट की तरफ निकाल दिया जाता है, तो उनके सामने रखी फ्लोरोसेंट स्क्रीन पर उत्पन्न पैटर्न हस्तक्षेप पैटर्न को दोहराता है। लहरों के लिए एक हस्तक्षेप पैटर्न बर्फ की ठंडीता क्या है। एक हस्तक्षेप पैटर्न मूल रूप से लहरों की पहचान है। जब मोनोक्रोमैटिक लाइट (एक तरंग दैर्ध्य की रोशनी) दो स्लिट के माध्यम से गुजरती है, तो कुछ तरंगें गठबंधन होती हैं, जबकि अन्य एक-दूसरे को एक स्क्रीन पर प्रकाश और काले बैंड के लंबे वैकल्पिक पैटर्न बनाने के लिए रद्द करते हैं।

(फोटो क्रेडिट: NekoJaNekoJa ~ commonswiki / विकिमीडिया कॉमन्स)

हालांकि, अगर आप दो स्लिट के माध्यम से कई टेनिस गेंदों को भेजना चाहते थे, तो प्रत्येक टेनिस बॉल बस उनमें से किसी के माध्यम से जायेगा, जिससे स्क्रीन पर केवल दो बैंड टेनिस गेंदों का निर्माण होगा। यह वही है जो आप आसानी से कणों से अपेक्षा करते हैं, जैसे कि, अच्छी तरह से, इलेक्ट्रॉन। बहरहाल, मामला यह नहीं। डेविसन और गार्नर ने दिखाया कि जब आप दो स्लिट के माध्यम से इलेक्ट्रॉन भेजते हैं, तो वे केवल दो के साथ स्क्रीन को रोशनी नहीं करते हैं, लेकिन इलेक्ट्रॉनों के प्रकाश और काले बैंड के लंबे वैकल्पिक पैटर्न!

लुई डी ब्रोगली की हाइपोथिसिस

वह इस संबंध में दो विषम प्रणालियों की ऊर्जा को समझाकर पहुंचे जो उनका मानना ​​था कि वास्तव में सममित थे: प्रकाश की ऊर्जा पीसी और एक फोटॉन एचएफ की असतत ऊर्जा अब, सी = एफ λ, जो संबंध देता है: पी λ = एच या λ = एच / पी।

अब, क्योंकि परिक्रमा एक इलेक्ट्रॉन के लिए सच है, यह किसी भी चीज के लिए भी सच है जो इलेक्ट्रॉनों को लिखता है - जो मूल रूप से सब कुछ है। आइए एक नारंगी बास्केटबाल पर विचार करें। बास्केटबॉल के कारण वस्तुओं के चारों ओर घूमने और बहने का कारण यह नहीं है कि इसके साथ जुड़े तरंगदैर्ध्य infinitesimal है। मूल्यों में प्लग करें और इसे अपने लिए देखें। कोई फर्क नहीं पड़ता कि यह कितना बड़ा है या यह कितनी तेजी से चलता है, यह संख्या में मात्रा से अधिक नहीं हो सकता है। एक बास्केटबाल के तरंगदैर्ध्य के पैमाने पर उपाय

मीटर है।

1 किलो बास्केटबाल से जुड़े डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य की गणना।

डबल स्लिट प्रयोग केवल तभी किया जा सकता है जब तरंग की तरंग दैर्ध्य स्लिट की चौड़ाई के बराबर हो। यदि आप बास्केटबॉल पर डेविसन और गार्नर के परिणाम को दोहराना चाहते थे, तो आपको उस स्लिट की आवश्यकता होगी जो चौड़ाई थी मीटर है। वर्तमान तकनीक इस पर अनुमति नहीं देती है। हालांकि, पैमाने पर एक इलेक्ट्रॉन के तरंगदैर्ध्य उपायों मीटर है। यह एक इलेक्ट्रॉन के कमजोर द्रव्यमान और तेज गति के कारण है। वर्तमान तकनीक द्वारा इस चौड़े स्लिट के विकास की अनुमति है।

अनिवार्य रूप से, एक बास्केटबाल में तरंगदैर्ध्य होता है, लेकिन यह बहुत छोटा माना जाता है। सिर्फ एक बास्केटबाल नहीं, बल्कि आप, मैं और पूरे ब्रह्मांड में सब कुछ एक लहर-कण द्वंद्व प्रदर्शित करता है। प्रकृति, सब के बाद, सममित है।

द मिस्ट्री द क्वांटम मैकेनिक्स

उनकी खोज कठोरता से हमारी धारणा को स्पष्ट रूप से बेकार करती है। ठीक है, मैं अपने वेश्यात्मक विचारों को छोड़ दूंगा, लेकिन मुझे इलेक्ट्रॉनों के लहरों की कल्पना कैसे करनी चाहिए? इस विरोधाभास, लहरों की पारंपरिक भावना में इलेक्ट्रॉन लहर को समझने में असमर्थता, हमें गहराई से परेशान करती है। सौभाग्य से, किसी को इस तथ्य में राहत (या भ्रम) मिल सकता है कि ये तरंगें तालाब में पाए जाने वाले परंपरागत तरंगें नहीं हैं बल्कि बल्कि 'संभाव्य' तरंगें हैं। जबकि कोई पत्थर का पता लगा सकता है जो एक लहर के कारण होता है, वही इलेक्ट्रॉन के बारे में नहीं कहा जा सकता है।

एक संभाव्य लहर के लिए, पत्थर स्थित नहीं हो सकता है, क्योंकि इसका स्थान अनिश्चित है। कोई स्पष्ट रूप से यह नहीं कह सकता कि यह 'यहां' या 'वहां' है। कोई भी कह सकता है कि पत्थर यहां या वहां पाए जाने के लिए 'संभावित' है। एक तरह से, यह 'हर जगह' है, इसका स्थान 'वितरित' है। हालांकि - और यही कारण है कि मैंने भ्रम के साथ राहत को जोड़ा - संभाव्य तरंगों की इस धारणा का तात्पर्य है कि इलेक्ट्रॉन एक ही समय में दोनों स्लिट के माध्यम से गुजरता है!

कोई भी कह सकता है कि पत्थर यहां या वहां पाए जाने के लिए 'संभावित' है। एक तरह से, यह 'हर जगह' है, इसका स्थान 'वितरित' है।

भौतिक विज्ञानी निरंतर थे। वे अपनी 'आंखों' के साथ 'वितरण' देखना चाहते थे। उन्होंने भयानक डिटेक्टरों को लगाया जो एक इलेक्ट्रॉन का सर्वेक्षण करेंगे क्योंकि यह स्लिट के माध्यम से गुजरता है। उन्होंने उन्हें क्या बेवकूफ़ बना दिया। अब जब उन्होंने प्रत्येक गुजरने वाले इलेक्ट्रॉन को देखा, तो स्क्रीन पर छवि ने कण या टेनिस बॉल की अनुमानित पैटर्न ग्रहण की! परिणामी पैटर्न में केवल इलेक्ट्रॉनों के साथ दो लंबवत बैंड शामिल होते हैं। इस बिंदु पर, हर कोई असहायता में अपना हाथ रखता है और संभवतः कहा जाता है, "हमारे पास पर्याप्त था।"

क्या हुआ था कि अवलोकन के केवल कार्य ने इलेक्ट्रॉनों की प्रकृति को अपरिवर्तनीय रूप से बदल दिया। दो अवधारणाओं ने इस बेतुका व्यवहार को समझाया, दो अवधारणाएं कि गैर-वैज्ञानिक संस्कृति इतनी आसानी से क्वांटम दुनिया के रहस्यों की पहचान करती है: हेइजेनबर्ग की अनिश्चितता सिद्धांत और श्रोडिंगर की दुर्भाग्यपूर्ण बिल्ली।

इलेक्ट्रॉनों की दोहरी प्रकृति का विश्लेषण करना एक गीत सुनना है: जब आप गीत (स्थान) की सराहना करने की उम्मीद कर रहे हैं, तो आप खूबसूरत पियानो, मुलायम गिटार और आवधिक बोंगो, आवश्यक धुनों (गति) का ट्रैक खो देते हैं। राग। जबकि, जब आप धुनों की सराहना करने के लिए दृढ़ संकल्पित होते हैं, तो आप दिल से बोलने वाले गीतों का ट्रैक खो देते हैं। हम अपने उपकरणों को एक ही पहलू पर उधार नहीं दे सकते; हमें पूरी तरह से संगीत की सराहना करने के लिए एक उपयुक्त समझौता करना होगा।

उन नाज़ुक डिटेक्टरों के प्रयोगों में, हम इलेक्ट्रॉन के सटीक स्थान और इसकी ऊर्जा के बारे में अत्यधिक निश्चित रूप से अनिश्चित हैं और इसलिए गति। क्वांटम यांत्रिकी के दायरे में, गति वितरण या तरंगदैर्ध्य या तरंगों के साथ समझा जाता है, जबकि स्थान सटीकता या कणों के बराबर होता है। इसलिए गति का ज्ञान एक इलेक्ट्रॉन को लहर की तरह व्यवहार करने का कारण बनता है । जबकि, डिटेक्टरों के प्रयोगों में, हम इलेक्ट्रॉन के स्थान के बारे में बेहद निश्चित हैं और इसकी गति के बारे में अनिश्चित हैं। अवलोकन का यह कार्य इसे एक कण की तरह व्यवहार करने के लिए मजबूर करता है। जैसा कि बताया गया है, इसकी प्रकृति में परिवर्तन अपरिवर्तनीय हैं। जब तक आप इसे अपने लिए देखने के लिए बॉक्स खोलते हैं तब तक बिल्ली मृत और जीवित दोनों होती है। डरावना।

संक्षेप में, संयोजन के रूप में, इलेक्ट्रॉन एक कण और लहर दोनों होता है जब तक कि हम इसकी परिभाषित विशेषताओं - गति या स्थान को मापते हैं। एक बार उनमें से एक को मापा जाता है, इसकी प्रकृति स्थायी रूप से तय की जाती है।

डी ब्रोगली ने अपनी गहन खोज के लिए नोबेल पुरस्कार जीता, जिसका प्रभाव बाद में विज्ञान कथाओं के भूखंडों के केंद्र बन गया। असली दुनिया में, डी ब्रोगली की खोज मूर के कानून के लिए एक गंभीर खतरा है, जिसमें कहा गया है कि एक अर्धचालक सब्सट्रेट पर प्रत्यारोपित ट्रांजिस्टर हर साल दोगुना होना चाहिए। वर्तमान में, नैनोमीटर की सीमा में, तार अंततः इलेक्ट्रॉनों के आकार के बराबर हो जाएंगे, जिससे आंतरिक क्वांटम प्रभाव उनके ऑपरेशन के साथ गड़बड़ हो सकेगा। अभियंता आश्चर्य करते हैं कि यंत्रों के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के आसपास तारों को कितना छोटा होना चाहिए जैसे वे चारों ओर स्लिट करते हैं।

हालांकि, इलेक्ट्रॉनों की लहर प्रकृति ने इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के विकास के लिए मार्ग प्रशस्त किया। ये सूक्ष्मदर्शी हल्के, बल्कि इलेक्ट्रॉनों के साथ नमूनों को रोशनी नहीं करते हैं। तब इलेक्ट्रॉनों की तरंगों को शक्तिशाली चुंबक द्वारा बढ़ाया जाता है, जैसे कि प्रकाश की तरंगें लेंस द्वारा बढ़ी जाती हैं। वे 10, 000, 000 गुना तक का आवर्धन प्राप्त कर सकते हैं। इसने सूक्ष्म जीवविज्ञानी और रसायनविदों को अजीब विस्तार से अणुओं का अध्ययन करने की अनुमति दी है। फिर, लहरों की हमारी पारंपरिक व्याख्या उलझन में है, फिर भी नील डीग्रास टायसन का दावा है: "ब्रह्मांड को आपको समझने के लिए कोई दायित्व नहीं है।"