دوگانگی موج و ذره — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، به بررسی طیف اتمی پرداختیم. در این آموزش، مفاهیم مربوط به «دوگانگی موج و ذره» (Wave-Particle Duality) را بیان می‌کنیم.

دوگانگی موج و ذره

نیوتن و بیشتر دانشمندان هم دوره او، نور را به فرم ذره می‌دیدند. از نظر نیوتن، نور، به صورت گوی‌ها یا ذرات کوچکی بود. به بیان نیوتن، ذرات، پس از برخورد به بعضی اجسام منحرف می‌شوند، اما از برخی اجسام دیگر عبور می‌کنند. این رفتار، از قانون مکانیک نیوتن تبعیت می‌کند و به نام «نظریه ذره‌ای نور» (Corpuscular Theory) شناخته می‌شود.

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

نور تنها در خط مستقیم حرکت می‌کند، بنابراین برای نیوتن طبیعی بود نور را به صورت ذره‌های بسیار کوچک در نظر بگیرد که از یک منبع نوری منتشر و از اشیا مختلف منعکس می‌شدند.

اما یک گروه از فیزیکدان‌ها، از جمله هویگنس تصمیم گرفتند که مدل را پیچیده‌تر کنند. این گروه بیان کردند که بیان کلاسیک نور (که «نور هندسی» (Geometrical Optics) نامیده می‌شد) نمی‌تواند پدیده‌هایی مثل انعکاس یا تداخل را توضیح دهد. از طرف دیگر، تئوری موجی نور، نمی‌تواند توضیح دهد که چرا نور در برخورد با فلز از خود فوتون آزاد می‌کند. این پدیده اثر فوتوالکتریک نام دارد و در اواخر قرن نوزدهم میلادی کشف شد.

در ادامه، نظرات دانشمندان مختلف را در مورد ماهیت نور به طور خلاصه بیان می‌کنیم.

نیوتن: نور، ذره است

فیزیکدان انگلیسی، «آیزایک نیوتن» (Isaac Newton)، به دلیل «قانون جهان‌شمول گرانش» (Law of Universal Gravitation) شناخته شده است. در قرن هفدهم میلادی دو نظریه برای نور وجود داشت؛ یکی نظریه ذره‌ای نور یا نظریه نور نیوتن و دیگری نظریه موجی نور. نظریه ذره‌ای نور در سال ۱۷۰۴ توسط نیوتن معرفی شد.

این نظریه، ساده‌ترین بیان از ماهیت نور است که می‌گوید نور، از ذرات بسیار کوچک تشکیل شده است. بیان نظریه ذره‌ای نیوتن به صورت زیر است:

• نور از ذرات بسیار کوچکی به نام «گویچه» (Corpuscles) تشکیل شده است که جرم بسیار ناچیزی دارند.
• این ذرات، کاملا کشسان هستند.
• این ذرات، از منابع نوری درخشان مانند خورشید، شمع، لامپ الکتریکی و غیره منتشر می‌شوند.
• این ذرات بسیار کوچک، همواره در یک خط راست و در تمام جهات، منتشر می‌شوند.
• هر ذره در حال حرکت، حامل انرژی جنبشی است.
• این ذرات کوچک، با سرعت بسیار زیادی حرکت می‌کنند.
• این ذرات، در محیط‌های با چگالی بیشتر نسبت به محیط‌های رقیق‌تر با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند. البته ثابت شده است که این قسمت از نظریه او اشتباه است. می‌دانیم که نور در محیط‌های رقیق‌تر، نسبت به محیط‌های چگال‌تر با سرعت بیشتری حرکت می‌کند.
• هنگامی که ذرات، به قرنیه چشم برخورد می‌کنند، شخص، انعکاسی از جسم را می‌بیند.
• این ذرات کوچک می‌توانند اندازه‌های مختلفی داشته باشند. این اندازه‌های مختلف هستند که رنگ‌های مختلف را می‌سازند.

مثالی از تئوری ذره‌ای نور

تئوری ذره‌ای نور با استفاده از یک مثال ساده قابل توضیح است:

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله

کلیک کنید

• یک توپ پلاستیکی در نظر بگیرید.
• پشت یک دیوار قرار بگیرید.
• توپ را به صورت عمودی به دیوار پرتاب کنید.

• مشاهده می‌شود که توپ پس از برخورد در همان مسیر برمی‌گردد.
• حال توپ را به گونه‌ای به سمت دیوار پرتاب کنید که زاویه‌ای به غیر از صفر درجه نسبت به خط عمود بر دیوار، بسازد.

• مشاهده می‌شود که توپ پس از برخورد،‌ با همان زاویه برخورد اولیه نسبت به خط عمود بر دیوار بر می‌گردد.

گویچه‌های نوری مثل توپ‌های پلاستیکی رفتار می‌کنند.

توضیح انعکاس نور با استفاده از نظریه ذره‌ای نور

از نظر نیوتن، پدیده انعکاس نور، مانند برخورد یک توپ پلاستیکی کشسان با سطح سخت است. هنگامی که ذرات به یک سطح منعکس‌کننده برخورد می‌کنند، از آن منعکس می‌شوند. به طوری که زاویه برخورد با زاویه انعکاس، یکسان است. این پدیده به دلیل دفع ذرات از سطح منعکس‌کننده است.

توضیح شکست نور با استفاده از نظریه ذره‌ای نور

طبق بیان نیوتن، هنگامی که ذره‌های نوری به یک سطح شکست برخورد می‌کنند،‌ در نزدیکی سطح،‌ جذب آن می‌شوند. هنگامی که این ذرات از محیط رقیق‌تر به محیط غلیظ‌تر  وارد می‌شوند، سرعت آنها بیشتر شده، در نتیجه جهت آنها تغییر می‌کند.

اشتباهات نظریه ذره‌ای نور نیوتن

• نیوتن فرض کرد که نور در محیط غلیظ‌تر با سرعت بیشتری نسبت به محیط رقیق‌تر حرکت می‌کند. ثابت شده که این فرض اشتباه است.
• این فرض که رنگ‌های مختلف نور به دلیل اندازه‌های متفاوت ذرات کوچک آن است، توجیه علمی ندارد.
• نیوتن فرض کرد که انعکاس نور به دلیل دافعه بین سطح انعکاس‌دهنده و ذرات کوچک است. به همین ترتیب، شکست نور نیز به دلیل جاذبه بین ذرات کوچک و سطح شکست است. پس یک محیط می‌تواند ذرات نور را دفع یا جذب کند. اما بعدها ثابت شد که این بیان اشتباه است. می‌دانیم که نور پس از برخورد به شیشه، همزمان دچار شکست و انعکاس می‌شود. چگونه ممکن است شیشه همزمان ذرات نور را جذب و دفع کند؟
• نظریه ذره‌ای نور در توجیه پدیده انکسار، تداخل و قطبیت نور ناتوان است.

نیوتن دریافت هنگامی که نور خورشید به یک منشور برخورد می‌کند، به مولفه‌های تشکیل‌دهنده خود با فرکانس‌های مختلف تبدیل می‌شود. به هر روی، او فکر می‌کرد که نور ذره است. زیرا سایه‌هایی که نور تشکیل می‌دهد، با مرز مشخص و تیز هستند.

گریمالدی و هویگنس: نور، موج است

نظریه موجی نور بیان می‌کند که نور ماهیت موجی دارد. این نظریه در زمان نیوتن مطرح شد. در سال ۱۶۶۵، «فرانچسکو ماریا گریمالدی» (Francesco Maria Grimaldi)، پدیده انکسار نور (Diffraction of Light) را کشف کرد. او همچنین بیان کرد که نور، خاصیتی مشابه امواج دارد. پس از او در سال 1678، هویگنس فیزیکدان هلندی، نظریه موجی نور را بنا کرد و آن را اصل هویگنس نامید.

فرنل و یانگ: نور، بدون شک موج است

صد سال پس از نیوتن، فیزیکدان فرانسوی «آگوستین ژان فرنل» (Augustin-Jean Fresnel) بیان کرد که امواج نور، طول موج‌های بسیار کوچکی دارند. او پدیده تداخل نور را به صورت ریاضی اثبات کرد. همچنین در سال ۱۸۱۵، او قوانین فیزیکی انعکاس و شکست نور را بنا نهاد.

فیلم آموزش مکانیک کوانتومی 1 – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

او فرض کرد که فضا از ماده‌ای به نام «اتر» (Ether) پر شده است. زیرا موج برای انتقال به یک محیط نیاز دارد. در سال 1817، فیزیکدان انگلیسی «توماس یانگ» (ٰThomas Young) با استفاده از الگوی تداخل موج، به محاسبه طول موج نور پرداخت. او دریافت که طول موج نور یک میکرومتر است. در آن زمان نظریه ذره‌ای نور منسوخ اعلام شد و جای خود را به نظریه موجی نور داد.

ماکسول: نور، یک موج الکترومغناطیسی است

نظریه بعدی توسط فیزیکدان اسکاتلندی، «جیمز کلارک ماکسول» (James Clerk Maxwell) بیان شد. در سال ۱۸۶۴، او وجود امواج الکترومغناطیسی را پیش‌بینی کرد. بر اساس نظریه او، موج خاصیت الکترومغناطیسی دارد. وجود امواج الکترومغناطیسی پیش از او تایید نشده بود. تا آن زمان، میدان مغناطیسی تولید شده توسط آهنربا با میدان الکتریکی بین صفحه‌های موازی خازن، نامرتبط با یکدیگر فرض می‌شد. ماکسول در سال ۱۸۶۱ چهار معادله خود را ارائه کرد که نشان می‌داد میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی با هم ارتباط دارند. این معادلات، تحقیقات در مورد نور را، به جای نور مرئی به مفهوم امواج الکترومغناطیسی منعطف کرد. زیرا تا پیش از این، نور مرئی کانون توجه بود.

انیشتین: نور، همچنان ذره است