波動・粒子二重性

波動・粒子二重性は量子物理学の基本概念であり、光と物質の性質についての考え方を揺るがすものです。この理論は、すべての粒子や量子エンティティが粒子または波として説明できるとしています。古典物理学では粒子と波は別々のものでした。しかし、20世紀初頭の実験によって、微視的な物体はこれらの古典的な規則に従わないことが示され、この二重性の概念が導入されました。

光の性質

例えば、光は当初、波として振る舞うと理解されていました。この理論は、光に対して観察できる回折や干渉といった現象によって広く支持されました。19世紀、ジェームズ・クラーク・マクスウェルの方程式により、光は電磁波であることが確立されました。

他方、20世紀初頭の光電効果の実験では、アルベルト・アインシュタインによって、光が粒子の性質を持つことが説明されました。これは光の粒子、つまり光子が金属表面から電子を解放するのに必要なエネルギーを提供する予想外の結果でした。

E = hν

ここで、E は光子のエネルギー、h はプランク定数、ν は光の周波数です。この関係は、光がエネルギーの離散的なパケット、すなわち粒子として振る舞うことを示しました。

歴史的な実験と観察

1. 二重スリット実験:

この実験は、波動・粒子二重性を示す最も有名な実験の一つです。光が二つの近接したスリットを通過するとき、スリットの背後のスクリーンに波に典型的な干渉パターンを生成します。

電子のような粒子が別々に二つのスリットを通過するとき、それは時間とともに干渉パターンを生成し、波のような振る舞いを示します。興味深いことに、電子は同時に両方のスリットを通過し、スクリーンのある特定の場所で検出される確率を表す確率波を生成します。

2. 光電効果:

1905年、アルベルト・アインシュタインは光電効果を説明し、光が光子と呼ばれる離散的な粒子からなると提案しました。ある周波数の光が金属表面に照射されると、電子を放出します。これらの放出された電子のエネルギーは、光の強度ではなくその周波数によって影響を受けます。

E_{photon} = h cdot f = phi + K_{e}

この方程式では、E_{photon} は光子のエネルギー、h はプランク定数、f は周波数、phi は金属の仕事関数、K_{e} は放出された電子の運動エネルギーです。

電子の性質

光と同様に、電子も波動・粒子二重性を示します。伝統的に物質は粒子からなると考えられていましたが、1924年のルイ・ド・ブロイの画期的な業績により、電子のような粒子には波のような性質があると仮定されました。彼は物質にはそれに関連付けられた波長（ド・ブロイ波長と呼ばれる）があることを提案しました。

λ = frac{h}{p}

この式では、λ は波長、h はプランク定数、p は粒子の運動量です。この概念は後に結晶を通過する電子の回折によって実験的に確認され、干渉パターンの形成を通じて波の特性を示しました。