De golf-deeltje-dualiteit

Het idee dat de grondslag vormt voor de moderne kwantummechanica is de dualiteit tussen golven en deeltjes. Deeltjes kunnen zich in sommige gevallen als een golf gedragen en andersom. Maar hoe werkt deze dualiteit precies? Hoe kan je demonstreren dat iets een golf en een deeltje tegelijkertijd is? In dit artikel lees je de antwoorden op deze vragen en meer.

Video

Wil je uitleg op video zien over de golf-deeltje-dualiteit en het bijbehorende dubbelspleet-experiment? Kijk dan onderstaande video van natuurkunde docent meneer Wietsma.

Ontdekking van de golf-deeltje-dualiteit

Max Planck, de vader van de kwantummechanica, ontdekte dat elektromagnetische golven niet iedere willekeurige hoeveelheid energie bij zich kunnen hebben, maar een discreet spectrum hebben. Net als de wijzers op je horloge die altijd in discrete stappen van de ene plek naar de andere verspringen. De elektromagnetische golven hebben een energie bij zich die een veelvoud is van een bepaalde hoeveelheid. Deze hoeveelheid noemde hij een quantum. Einstein haakte hierop in en beredeneerde dat je quanta als deeltjes kan beschouwen, voor elektromagnetisme noemen we deze quanta fotonen.

Hier ging echter wat mis. Planck behandelde elektromagnetische golven, terwijl Einstein het over deeltjes had. Louis de Broglie vond hier een oplossing voor: deeltjes kunnen zich soms voordoen als golven en golven kunnen eigenschappen hebben van deeltjes. Dit werd later de golf-deeltje-dualiteit en vormt de belangrijkste pijler waarop kwantummechanica gebouwd is. Omdat we deeltjes als golven kunnen beschouwen, bedachten natuurkundigen een manier om deze deeltjes als golf voor te stellen via de golffunctie. De golffunctie geeft de waarschijnlijkheid dat je een deeltje op een bepaalde plaats kunt aantreffen. Zodra je de positie van een deeltje probeert te bepalen, dan stort deze golffunctie in elkaar en verschijnt er ineens een deeltje uit.

Dubbelspleet-experiment

Maar hoe laat je nou zien dat iets zich zowel als een deeltje kan voordoen en tegelijkertijd een golf kan zijn? Dit hangt totaal af van het soort experiment dat je doet. Afhankelijk van het experiment zal iets zich gedragen als een golf of een deeltje. Voor fotonen en elektromagnetische golven is dit al heel snel vastgesteld. De theorie van Maxwell voor elektromagnetisme beschouwt golven. Deze elektromagnetische golven zijn gebruikt om uit te leggen hoe je licht kan afbuigen met lenzen, het golfkarakter van licht dus. Einstein liet echter met het foto-elektrisch effect zien dat licht zich ook daadwerkelijk als deeltjes kan gedragen. Maar is licht een speciaal geval, of kan alles zich zo gedragen?

Misschien wel het belangrijkste experiment om de golf-deeltje-dualiteit te bevestigen werd uitgevoerd in 1927 door Davisson en Germer. Zij lieten zien dat elektronen zich als een golf kunnen gedragen, net als licht! De opzet van het experiment was simpel: je schiet elektronen af op een muur met daarin twee hele dunne spleten en kijkt waar de elektronen terechtkomen nadat ze door deze spleten zijn gegaan. Dit was het dubbelspleet-experiment. De opstelling zie je in de afbeelding hieronder.

Als elektronen zich alleen maar als deeltjes zouden gedragen, dan zouden de elektronen alleen achter de spleten terechtkomen. Dit was echter niet het geval, tot ieders verbazing kwam er een interferentiepatroon tevoorschijn. Sterker nog, dit interferentiepatroon was exact hetzelfde als Thomas Young in 1801 vond toen hij het experiment uitvoerde met elektromagnetische straling. Omdat interferentie een effect is dat alleen kan optreden met golven, bevestigde dit experiment dat elektronen zowel deeltjes als golven kunnen zijn. Deze ontdekking heeft geleid tot de ontwikkeling van elektronenmicroscopen om hele kleine structuren te kunnen bekijken zonder ze kapot te maken. Later is nog vastgesteld dat ook atomen en zelfs moleculen een interferentiepatroon creëren en dus ook golf-eigenschappen kunnen hebben.