Het Onzekerheidsprincipe van Heisenberg

Een elektron is een subatomair deeltje met massa, m. Maar het gedraagt zich ook als een golf, met snelheid v, zoals blijkt uit de De Broglie-hypothese. Een elektron heeft dus zowel golf-als deeltjesachtige kenmerken.Helaas is het niet mogelijk om te zien dat het elektron zowel een deeltje is met een gedefinieerde locatie en een golf met een bekende snelheid of momentum op hetzelfde moment. Wat gebeurt er als een experiment wordt opgezet om de dubbele aard van een elektron te observeren? Heroverweeg eerst het experiment met dubbele spleet waarbij er twee dicht bij elkaar geplaatste openingen zijn.Wanneer een elektronenbundel door de spleten gaat, ontstaat er een interferentiepatroon. Dit is een unieke eigenschap van golven. Wanneer elektronen een voor een passeren, wordt hetzelfde patroon waargenomen.Omdat een elektron een deeltje is, zou het mogelijk moeten zijn om te controleren door welke spleet of spleten het gaat. Om dit te bestuderen wordt direct achter de spleten een laserstraal opgesteld. Wanneer een elektron door een spleet voortbeweegt, produceert het een kleine flits die de spleet aangeeft die het net is gepasseerd.Tijdens het experiment worden flitsen bij slechts één van de spleten tegelijk waargenomen, maar nooit beide spleten tegelijk. Bovendien wordt het interferentiepatroon niet meer waargenomen;in plaats daarvan worden twee heldere lijnen gezien. Bij het proberen om de deeltjesaard van het elektron te observeren, gaat zijn golfkarakter verloren.Met andere woorden, het elektron wordt waargenomen als een deeltje of als een golf, maar nooit beide tegelijk. De deeltjes-aard en golf-aard van een elektron, en bij uitbreiding zijn positie en momentum, zijn daarom complementaire eigenschappen. Dit betekent dat het ook onmogelijk is om tegelijkertijd de nauwkeurige positie en snelheid van een elektron waar te nemen.Werner Heisenberg bracht in verband dat de onzekerheid in deze eigenschappen, weergegeven door delta-x en m-delta-v, groter moet zijn dan of gelijk moet zijn aan een eindige grootheid de constante van Planck gedeeld door 4 pi. Dit staat bekend als het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Hoe nauwkeuriger de positie van het elektron bekend is, en hoe kleiner de delta-x, hoe minder zeker de snelheid van het elektron bekend is en hoe groter de delta-v, en vice versa.Denk nu aan een golfbal die op een tee rust. Volgens de klassieke natuurkunde kan het pad of traject van de golfbal worden voorspeld door de beginpositie, de kracht waarmee deze wordt geraakt en het effect van andere factoren, zoals zwaartekracht, wind en luchtweerstand, te kennen. Met deze gegevens kan op elk moment de positie en snelheid van de golfbal worden bepaald.Als echter alleen de oorspronkelijke locatie van de golfbal bekend is, kan de uiteindelijke positie niet worden afgeleid. Evenzo kan voor een elektron, omdat zijn positie en snelheid niet tegelijkertijd bekend zijn, zijn traject ook niet worden voorspeld. Dit staat bekend als het onbepaaldheidsgedrag van een elektron.De huidige locatie kan zijn toekomstige positie niet bepalen. Daarom wordt in plaats van een precieze positie voor een elektron te beschrijven, de waarschijnlijkheid, of plausibiliteit, gebruikt om het binnen een bepaald gebied van het atoom te vinden. Dit staat bekend als een waarschijnlijkheidsdichtheid, waarbij elk punt de potentiële locatie van een elektron in een atoom vertegenwoordigt.De dichtheid van punten is evenredig met de waarschijnlijkheid om een elektron te vinden. Het is dus waarschijnlijker dat een elektron dichter bij de atoomkern wordt gevonden dan heel ver weg. Een nauwkeurigere weergave van het atoom wordt dus weergegeven door de kern omgeven door zijn elektronenwaarschijnlijkheidsdichtheid, ook bekend als het elektronenwolkmodel.