Aalto-hiukkasdualismi

Aalto-hiukkasdualismi on kvanttimekaniikan käsite, jolla tarkoitetaan sitä, että sähkömagneettisella säteilyllä ja aineella on sekä aaltoliikkeen­ että hiukkasten ominaisuuksia. Klassisessa fysiikassa aaltoliikemallilla voidaan selittää interferenssi esimerkiksi diffraktion yhteydessä ja polarisaatio. Modernin fysiikan hiukkaskuvassa taas selittyvät valosähköinen ilmiö, mustan kappaleen säteily ja Comptonin sironta.

Aalto-hiukkasdualismi vaikutti voimakkaasti kvanttimekaniikan syntyyn. Ennen kvanttimekaniikan keksimistä valon luonne aiheutti erimielisyyttä, sillä sen ominaisuuksia ei osattu täysin selittää klassisen fysiikan avulla. Koostuiko valo aalloista vai hiukkasista? Isaac Newton päätyi hiukkaskäsitykseen, vaikka olikin häkeltynyt muun muassa valon kahden pinnan osittaisheijastumista koskevista ongelmista. Hän tiesi, että yhteen lasipintaan osuvasta valosta tietty määrä kulkee lasin läpi ja pienempi osa heijastuu siitä. Jos tämän pinnan taakse asetetaan toinen, heijastuminen muuttuu hämmästyttävästi: tietyillä lasin paksuuksilla valoa ei heijastu lainkaan, toisilla taas huomattavasti enemmän kuin yhden pinnan tapauksessa. Tämä oli mysteeri tuon ajan fyysikoille: miten jälkimmäinen pinta voi vaikuttaa ensimmäisestä pinnasta jo heijastuneeseen valoon eli miten valo tietää kuinka monta pintaa sillä on edessään? Newton päätteli, että valolla on joko "taipumus heijastua" tai "taipumus olla heijastumatta", ja tuo taipumus riippuu lasin paksuudesta. Tätä pidemmälle ei hänen ollut mahdollista päästä.

Myöhemmin ilmiö selitettiin valon aalto-ominaisuuksien avulla: kyse on interferenssistä. Jos ensimmäisestä ja toisesta pinnasta heijastuneet valoaallot ovat eri vaiheissa, ne sammuttavat toisensa (valoa ei heijastu lainkaan), samassa vaiheessa olevat puolestaan vahvistavat (valoa heijastuu paljon). Sen jälkeen kun Thomas Young oli vuonna 1803 keksinyt Youngin kaksois­rako­kokeen, jossa valo taipui hilassa, kysymystä pidettiin jo ratkaistuna: valo oli aalto­liikettä. Myöhemmin James Clerk Maxwellin sähkömagnetismin teoria täsmensi, että valo­aallot ovat sähkö­magneettisia aaltoja, jotka muodostuvat tietyllä taajuudella värähtelevistä sähkö- ja magneetti­kentistä.

Valosähköisessä ilmiössä aineeseen osuneiden fotonien energia muuttuu elektronien energiaksi.

1900-luvun vaihteessa ilmeni kuitenkin seikkoja, jotka viittasivat siihen, että valolla on myös hiukkasmaisia ominaisuuksia. Albert Einstein onnistui vuonna 1905 selittämään valosähköisen ilmiön, jossa metallista irtoaa elektroneja kun sitä valaistaan tietyn aallonpituuden alittavalla valolla. Einstein keksi, että tuleva valo absorboituu kvantteina, ja vain tietyn energian ylittävä valopaketti, fotoni, pystyy irrottamaan elektronin metallista. Fotonin energia $E$ voidaan ilmaista taajuuden $f$ suhteen yhtälöllä

$E=hf\,\!$,

missä $h=6,626\cdot 10^{-34}~{\textrm {J}}\cdot {\textrm {s}}$ on Planckin vakio. Ajatus oli käänteentekevä, sillä valoa oli jo kauan pidetty aalto­liikkeenä. Valon täytyy siis olla yhtä aikaa aaltoliikettä ja hiukkasia. Väite herätti tiukkaa vastarintaa ja useat fyysikot, muun muassa Robert Millikan ja Niels Bohr näkivät sen vieraana ja outona.

Einstein sai valosähköisen ilmiön selvittämisestä Nobelin palkinnon vuonna 1921. Nobel-komitea näki kuitenkin parhaaksi sanoa itsensä irti valon hiukkasluonteesta ja myönsi palkinnon vain matemaattisen teorian pohjalta, jossa hiukkasluonne nähtiin vain keinona kuvata havaittuja ilmiöitä.

Elektronien aaltoluonteen voi havaita muun muassa hilan avulla.

Vuonna 1923 Louis de Broglie ehdotti, että aalto-hiukkas­dualismi ei koske vain valoa, vaan että myös aine­hiukkasilla kuten elektroneilla on aaltoluonne. De Broglien teorian mukaan sama kaava

$\lambda ={\frac {h}{p}}$,

jonka Einstein oli esittänyt säteilykvanteille ja jonka mukaan niiden aallonpituus on Planckin vakio jaettuna hiukkasen liikemäärällä, pätee myös ainehiukkasille. De Broglien teoria perustui enemmänkin symmetrian kaipuuseen kuin mihinkään empiiriseen havaintoaineistoon, mutta oletus osoittautui oikeaksi. Elektronien aaltoluonne voidaan saada näkyviin esimerkiksi tarkastelemalla elektronisuihkun sirontaa kiteisen aineen pinnasta. Sen tärkeä sovellus on elektronimikroskooppi.

Lähteet

• Yoav Peleg & Reuven Pnini & Elyahu Zaarum: Schaum's Outline of Theory and Problems of Quantum Mechanics. McGraw-Hill, 1998. ISBN 0-07-054018-7 (englanniksi)

• Zhumdahl & Zhumdahl: Chemistry, s. 292–314. Houghton Mifflin Company, 2003. ISBN 0-618-22156-5 (englanniksi)

• Griffiths, David: Introduction to quantum mechanics second edition, s. 1–24. Pearson Education International, 2005. ISBN 0-13-191175-9 (englanniksi)