Elektróny sa správajú ako vlny

Fyzici už dlho vedia, že svetlo je elektromagnetické vlnenie. Dodnes nikto nepochybuje o tejto pozícii, pretože svetlo jasne demonštruje všetky znaky vlnového správania: svetelné vlny sa môžu navzájom prekrývať, vytvárať interferenčný obrazec, sú tiež schopné oddeliť sa, ohýbať sa okolo prekážok počas difrakčného času.

Keď vidíme vtáka, ktorý chodí ako kačica, pláva ako kačka a kváka ako kačica, nazývame toho vtáka kačica. Takže svetlo je elektromagnetická vlnana základe objektívne pozorovaných znakov správania sa takejto vlny vo svetle.

Avšak koncom 19. a 20. storočia mali fyzici začať hovoriť o „dualizme častíc a vĺn“ svetla. Ukazuje sa, že poznanie, že svetlo je elektromagnetické vlnenie, nie je všetko, čo veda o svetle vie. Vedci objavili vo svetle veľmi zaujímavú vlastnosť.

Ukazuje sa, že svetlo sa nejako prejavuje AKO správanie prúdu častíc.Zistilo sa, že energia prenášaná svetlom sa po určitom časovom období špeciálnym detektorom ukáže ako zložená z jednotlivých (celých) kúskov.

Preto sa stalo pravdou, že energia svetla je diskrétna, pretože sa skladá akoby z jednotlivých častíc – „kvant“, teda z najmenších celých porcií energie. Takáto častica svetla, nesúca jednotku (alebo kvantum) energie, sa začala nazývať fotón.

Energia jedného fotónu sa zistí podľa nasledujúceho vzorca:

E — energia fotónu, h — Planckova konštanta, v — frekvencia.

Nemecký fyzik Max Planck najprv experimentálne zistil fakt diskrétnosti svetelnej vlny a vypočítal hodnotu konštanty h, ktorá sa objavuje vo vzorci na zistenie energie jednotlivých fotónov. Táto hodnota sa ukázala ako: 6,626 * 10-34 J * s. Planck publikoval výsledky svojej práce koncom 20. storočia.

Predstavte si napríklad fialový lúč. Frekvencia takéhoto svetla (f alebo v) je 7,5 * 1014 Hz Planckova konštanta (h) je 6,626 * 10-34 J * s. To znamená, že energia fotónu (E), charakteristická pre fialovú farbu, je 5 * 10-19 J. To je taká malá časť energie, ktorú je veľmi ťažké zachytiť.

Predstavte si horský potok – tečie ako jeden celok a voľným okom nie je možné vidieť, že potok sa v skutočnosti skladá z jednotlivých molekúl vody. Dnes však vieme, že makroskopický objekt — tok — je vlastne diskrétny, čiže pozostáva z jednotlivých molekúl.

To znamená, že ak môžeme vedľa prúdu umiestniť počítadlo molekúl na počítanie molekúl vody, ktoré pretečú pri prúdení prúdu, detektor bude vždy počítať iba celé počty molekúl vody, nie čiastočné.

Podobne aj graf celkovej energie fotónu E, vypočítaný v čase t — sa vždy ukáže ako nie lineárny (žltý obrázok), ale stupňovitý (zelený obrázok):

Fotóny sa teda pohybujú, nesú energiu, preto majú hybnosť. Fotón však nemá hmotnosť. Ako potom môžete nájsť impulz?

V skutočnosti je pre objekty pohybujúce sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla klasický vzorec p = mv jednoducho nepoužiteľný. Aby sme pochopili, ako nájsť hybnosť v tomto nezvyčajnom prípade, obráťme sa na špeciálnu teóriu relativity:

V roku 1905 Albert Einstein vysvetlil z tohto hľadiska fotoelektrický efekt… Vieme, že kovová platňa má v sebe elektróny, ktoré sú v nej priťahované kladne nabitými jadrami atómov, a preto sú zadržané v kove. Ale ak na takú platňu posvietite svetlom s URČITOU frekvenciou, potom môžete vyraziť elektróny z platne.

Akoby sa svetlo správalo ako prúd častíc s hybnosťou.A aj keď fotón nemá žiadnu hmotnosť, stále nejako interaguje s elektrónom v kove a za určitých podmienok je fotón schopný elektrón vyradiť.

Takže ak má fotón dopadajúci na platňu dostatočnú energiu, potom bude elektrón vyrazený z kovu a bude sa pohybovať von z platne rýchlosťou v. Takýto vyradený elektrón sa nazýva fotoelektrón.

Keďže vyradený elektrón má známu hmotnosť m, bude mať určitú kinetickú energiu mv.

Energia fotónu, keď pôsobí na kov, sa premieňa na energiu výstupu elektrónu z kovu (pracovná funkcia) a na kinetickú energiu elektrónu, ktorou sa vyradený elektrón začne pohybovať. z kovu, nechajúc to.

Predpokladajme, že fotón so známou vlnovou dĺžkou dopadá na povrch kovu, pre ktorý je známa pracovná funkcia (elektrónu z kovu). V tomto prípade možno ľahko zistiť kinetickú energiu elektrónu emitovaného z daného kovu, ako aj jeho rýchlosť.

Ak energia fotónu nestačí na to, aby elektrón vykonal pracovnú funkciu, tak elektrón jednoducho nemôže opustiť povrch daného kovu a fotoelektrón nevznikne.

V roku 1924 francúzsky fyzik Louis de Broglie predložiť prelomovú myšlienku, podľa ktorej nielen fotóny svetla, ale aj samotné elektróny sa môžu správať ako vlny. Vedec dokonca odvodil vzorec pre hypotetickú vlnovú dĺžku elektrónu. Tieto vlny sa následne nazývali „de Broglieho vlny“.

De Broglieho hypotéza sa neskôr potvrdila. Fyzikálny experiment o elektrónovej difrakcii, ktorý v roku 1927 uskutočnili americkí vedci Clinton Davison a Lester Germer, konečne poukázal na vlnovú povahu elektrónu.

Keď lúč elektrónov smeroval cez špeciálnu atómovú štruktúru, zdá sa, že detektor mal zaznamenať obraz ako častice letiace jedna za druhou, čo by sa logicky dalo očakávať, keby elektróny boli častice.

Ale v praxi máme obraz charakteristický pre vlnovú difrakciu. Navyše, dĺžky týchto vĺn sú úplne v súlade s koncepciou, ktorú navrhol de Broglie.

V konečnom dôsledku de Broglieho myšlienka umožnila vysvetliť princíp Bohrovho atómového modelu a neskôr Erwinovi Schrödingerovi umožnila zovšeobecniť tieto myšlienky a položiť základy modernej kvantovej fyziky.