Az elektron hullámtermészete

Rövid történet Alig 25 évvel a katódsugárzás rejtélyének megoldása után az elektron megmutatta, hogy az igazi rejtélyek csak most következnek. Luis DeBroglie szinte vakmerő ötlettel feltételezte, hogy az elektron hullám is lehet. Szerencsés véletlenek és tudatos kísérletek igazolták a feltételezés helyességét. Azóta széles körben igazolódott más részecskénél is, hogy a hullám és részecsketermészet egymástól elválaszthatatlan. A kettős természet, ami már a fotonnál is komoly szemléletváltást igényelt, ezáltal univerzális lett.

Luis de Broglie De Broglie  1924-ben doktori értekezésében fejtette ki részletesen forradalmi elméletét az elektronhullámokról. Elgondolása, mely szerint az anyagnak atomi méretekben hullámtulajdonságai vannak, Albert Einstein egyik 20 évvel korábbi javaslatán alapult, aki a fény kettős természetét hirdette. Tudományos körökben még éppen csak kezdték elfogadni a fény kettős természetének elvét, amikor Broglie már kiterjesztette e kettős jelleget az elektronra, és minden más anyagra is. Broglie ötlete választ adott még egy kérdésre. Ez a Bohr modellel kapcsolatban merült fel. A modell szerint, az elektronok nem keringhetnek akármilyen távolságra a magtól, csak meghatározott pályákon. Ráadásul az elektron ezeken a pályákon nem is sugározhat. Broglie elgondolása, a hullámtulajdonságú elektron, magyarázatot adott a jelenségre. Szerinte a mag körül csak olyan pályák lehetségesek, ahol az elektronhullám állóhullámként foglalhat helyett. A többi hullámalak interferál önmagával és kioltódik. 

Clinton Davisson 1921-ben Davisson   cége, a Western Elecrtic Company szabadalmi pert indított a General Electric Company nevű cég ellen egy elektroncső tervével kapcsolatban. A cég vezetése megbízta Davissont, hogy a per számára kísérleti bizonyítékokat szállítson. Így kezdte el Davisson elektronok szóródását vizsgálni fémfelületekről. A munkát először Kunsmannal kezdte el, később bevonta Germert is. A per megnyerése után a vizsgálódásokat tovább folytatták. 

G.P. Thomson G.P.Thomson kísérlete volt az első tudatosan tervezett elektron - interferencia kísérlet. A kísérlet első változatát Thomson 1927-ben végezte el A. Reiddel közösen. Első kísérletükben gyorsított elektronokat küldtek át celluloidrétegen, és fényképészeti lemezen rögzítették az elektroninterferenciára utaló gyűrűket. A fotókon szabad szemmel csak egy gyűrű volt látható, sugaraik 3 és 5mm köztiek. Fotométerrel azonban sikerült a látható gyűrűk mellet további gyűrűket is kimutatniuk. Ezt követően G.P.Thomson G.G.Fraserrel egy elektrondiffrakciós fényképezőgépet is szerkesztett, illetve fémfóliákon is kimutatatta a koncentrikus interferencia gyűrűket. Ezekhez a celluloidnál alkalmazotthoz képest nagyobb gyorsítófeszültségeket alkalmazott, de a kapott interferencia gyűrűk sugarai is nagyobbak lettek.

Az elektron hullámtermészetének felfedezése annyira meglepő volt, hogy Davissonék és G.P.Thomson után is további számos ötletes kísérlettel igyekeztek részletesen bizonyítani. A német Möllenstedt az optikai kettős prizmára emlékeztető kísérletet végzett elektronokkal 1956-ban.

A kettős természet Az optikában klasszikusnak számító, és Young által 1801-ben elvégzett kétréses interferencia-kísérletet elektronokkal O. Jönsonn végezte el 1961-ben. A kísérlet elvileg akkor is működik, ha az elektronnyaláb intenzitása hihetetlenül kicsi, azaz a készülékben egyidejűleg csak egy elektron tartózkodik. Amint az egyik rés mellett egy detektor helyezünk el, hogy kimutassuk, hogy az elektron melyik résen halad át, akkor az interferencia megszűnik. Az elektron kimutatásának pillanatában ugyanis részecske természetűvé "válik". Ha részecskeként detektáljuk, részecske-természetet mutat, ha viszont megengedjük neki, hogy szabadon terjedjen, akkor hullámként viselkedik. Röviden fogalmazva az elektron kettős természetű, és a hullám-részecske tulajdonsága egymástól elválaszthatatlan, a kísérlet jellege határozza meg, hogy a két természet közül melyik dominál. Hasonló kísérleteket végzett el fotonnal többek közt Jánossy is, ami a kettős természet univerzális mivoltának bizonyítéka.  Az elektron és a foton mellett számos más atomi építőkőnek, neutronnak protonnak stb. is igazolták a hullámtermészetét, de a kis tömege miatt az elektronnál legkönnyebben kimutatható ez a tulajdonság. A neutronelhajlás időközben fontos szerkezetvizsgáló módszerré is vált. A neutronok az elektronnál alkalmasabbak szerkezetvizsgálatra, mert elektromosan semlegesek, és a vizsgált kristállyal nem lépnek elektromos kölcsönhatásba. 

Köszönöm a figyelmet Nagy Tamás