Zasada nieoznaczoności

Elektron to cząstka subatomowa o masie m. Ale zachowuje się również jak fala, z prędkością v, jak pokazuje relacja de Broglie'a. Tak więc elektron ma zarówno cechy falowe, jak i cząstkowe. 

Niestety, nie jest możliwe, aby elektron był jednocześnie cząstką o określonym położeniu, jak i falą o znanej prędkości lub pędzie. Co się dzieje, gdy przeprowadza się eksperyment mający na celu zaobserwowanie dwoistej natury elektronu?

Po pierwsze, rozważ ponownie eksperyment z podwójną szczeliną, w którym znajdują się dwie blisko rozmieszczone apertury. Kiedy wiązka elektronów przechodzi przez szczeliny, powstaje wzór interferencyjny. Jest to wyjątkowa właściwość fal. 

Kiedy elektrony przechodzą jeden po drugim, obserwuje się ten sam wzór. Ponieważ elektron jest cząstką, powinno być możliwe monitorowanie, przez którą szczelinę lub szczeliny przepływa.  

Aby to zbadać, wiązka laserowa jest umieszczona bezpośrednio za szczelinami. Kiedy elektron przechodzi przez szczelinę, wytwarza mały błysk - wskazując na szczelinę, przez którą właśnie przeszedł.

Podczas eksperymentu błyski są obserwowane tylko w jednej ze szczelin na raz, ale nigdy w obu szczelinach jednocześnie. Co więcej, wzór zakłóceń nie jest już obserwowany; Zamiast tego widoczne są dwie jasne linie. Próbując zaobserwować cząstkową naturę elektronu, gubi się jego falowa natura.

Innymi słowy, elektron jest obserwowany albo jako cząstka, albo jako fala, ale nigdy jako jedno i drugie w tym samym czasie. Natura cząstki i natura falowa elektronu, a co za tym idzie jego położenie i pęd, są zatem własnościami uzupełniającymi. Oznacza to, że niemożliwe jest jednoczesne obserwowanie dokładnego położenia i prędkości elektronu. 

Werner Heisenberg stwierdził, że niepewność tych właściwości, reprezentowana przez Δx i mΔv, musi być większa lub równa skończonej wielkości – stałej Plancka powyżej 4π. Jest to znane jako zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Im dokładniej znane jest położenie elektronu i im mniejsze jest Δx, tym mniej pewna jest prędkość elektronu i większa jest Δv i odwrotnie. 

Teraz rozważ piłkę golfową spoczywającą na tee. Zgodnie z fizyką klasyczną tor lub trajektorię piłki golfowej można przewidzieć, znając jej początkowe położenie, siłę, z jaką jest uderzana, oraz wpływ innych czynników, takich jak grawitacja, wiatr i opór powietrza.

Dzięki tym danym można w każdej chwili określić pozycję i prędkość piłki golfowej.

Jeśli jednak znana jest tylko początkowa lokalizacja piłki golfowej, nie można wywnioskować jej ostatecznego położenia. 

Podobnie jest z elektronem, ponieważ jego położenie i prędkość nie mogą być znane w tym samym czasie, jego trajektorii również nie można przewidzieć. Jest to znane jako nieokreśloność elektronu. Jego obecne położenie nie może determinować jego przyszłego położenia.

Z tego powodu, zamiast opisywać dokładne położenie elektronu, używa się prawdopodobieństwa lub prawdopodobieństwa znalezienia go w określonym obszarze atomu. Jest to znane jako gęstość prawdopodobieństwa, gdzie każda kropka reprezentuje potencjalne położenie elektronu w atomie.

Gęstość kropek jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa znalezienia elektronu. Tak więc bardziej prawdopodobne jest, że elektron zostanie znaleziony bliżej jądra atomu niż bardzo daleko. W ten sposób dokładniejsze odwzorowanie atomu jest przedstawiane przez jądro otoczone gęstością prawdopodobieństwa elektronów, która jest również znana jako model chmury elektronów.