Elektron berkelakuan seperti gelombang

Ahli fizik telah lama mengetahui bahawa cahaya adalah gelombang elektromagnet. Sehingga hari ini, tiada siapa yang meragui kedudukan ini, kerana cahaya jelas menunjukkan semua tanda tingkah laku gelombang: gelombang cahaya boleh bertindih antara satu sama lain, menghasilkan corak gangguan, mereka juga dapat memisahkan, membengkok di sekeliling halangan sepanjang masa pembelauan.

Apabila kita melihat burung yang berjalan seperti itik, berenang seperti itik, dan kuak seperti itik, kita memanggil burung itu itik. Jadi cahaya adalah gelombang elektromagnetberdasarkan tanda-tanda yang diperhatikan secara objektif tentang kelakuan gelombang sedemikian dalam cahaya.

Walau bagaimanapun, pada akhir abad ke-19 dan ke-20, ahli fizik mula bercakap tentang «dualisme gelombang zarah» cahaya. Ternyata pengetahuan bahawa cahaya adalah gelombang elektromagnet bukanlah semua yang diketahui sains tentang cahaya. Para saintis telah menemui satu ciri yang sangat menarik dalam cahaya.

Ternyata entah bagaimana cahaya menampakkan dirinya SEBAGAI tingkah laku aliran zarah entah bagaimana.Didapati bahawa tenaga yang dibawa oleh cahaya, selepas dikira dalam tempoh masa tertentu oleh pengesan khas, ternyata terdiri daripada kepingan individu (keseluruhan).

Oleh itu, menjadi benar bahawa tenaga cahaya adalah diskret, kerana ia terdiri, seolah-olah, zarah individu - "quanta", iaitu, bahagian keseluruhan tenaga yang terkecil. Zarah cahaya sedemikian, membawa satu unit (atau kuantum) tenaga, kemudian dipanggil foton.

Tenaga satu foton didapati dengan formula berikut:

E — tenaga foton, h — pemalar Planck, v — kekerapan.

Ahli fizik Jerman Max Planck mula-mula secara eksperimen menubuhkan fakta kebijaksanaan gelombang cahaya dan mengira nilai malar h, yang muncul dalam formula untuk mencari tenaga foton individu. Nilai ini ternyata: 6.626 * 10-34 J * s. Planck menerbitkan hasil kerjanya pada akhir 1900-an.

Pertimbangkan, sebagai contoh, sinar ungu. Kekerapan cahaya tersebut (f atau v) ialah 7.5 * 1014 Hz Pemalar Planck (h) ialah 6.626 * 10-34 J * s. Ini bermakna bahawa tenaga foton, (E), ciri warna ungu, ialah 5 * 10-19 J. Ini adalah sebahagian kecil tenaga yang sangat sukar untuk ditangkap.

Bayangkan aliran gunung — ia mengalir sebagai satu unit, dan mustahil untuk melihat dengan mata kasar bahawa aliran itu sebenarnya terdiri daripada molekul air individu. Hari ini, bagaimanapun, kita tahu bahawa objek makroskopik—aliran—sebenarnya diskret, iaitu, ia terdiri daripada molekul individu.

Ini bermakna jika kita boleh meletakkan pembilang molekul di sebelah aliran untuk mengira molekul air yang melalui semasa aliran mengalir, pengesan akan sentiasa mengira bilangan keseluruhan molekul air, bukan separa.

Begitu juga, graf jumlah tenaga foton E, dikira pada masa t - akan sentiasa berubah menjadi tidak linear (angka kuning), tetapi mengikut langkah (angka hijau):

Jadi, foton bergerak, mereka membawa tenaga, oleh itu mereka mempunyai momentum. Tetapi foton tidak mempunyai jisim. Jadi bagaimana anda boleh mencari momentum?

Malah, untuk objek yang bergerak pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya, formula klasik p = mv tidak boleh digunakan. Untuk memahami cara mencari momentum dalam kes luar biasa ini, mari beralih kepada relativiti khas:

Pada tahun 1905, Albert Einstein menjelaskan dari sudut pandangan ini kesan fotoelektrik… Kita tahu bahawa plat logam mempunyai elektron di dalamnya, yang di dalamnya tertarik oleh nukleus bercas positif atom dan oleh itu tertahan di dalam logam. Tetapi jika anda menyinari plat sedemikian dengan cahaya frekuensi TERTENTU, maka anda boleh mengetuk elektron keluar dari plat.

Seolah-olah cahaya berkelakuan seperti aliran zarah dengan momentum. Dan walaupun foton tidak mempunyai jisim, ia masih berinteraksi dengan elektron dalam logam, dan dalam keadaan tertentu foton dapat mengetuk elektron.

Jadi jika kejadian foton pada plat mempunyai tenaga yang mencukupi, maka elektron akan tersingkir daripada logam dan bergerak keluar dari plat dengan halaju v. Elektron yang tersingkir sedemikian dipanggil fotoelektron.

Oleh kerana elektron yang tersingkir mempunyai jisim m yang diketahui, ia akan mempunyai tenaga kinetik tertentu mv.

Tenaga foton, apabila ia bertindak ke atas logam, ditukar menjadi tenaga keluaran elektron daripada logam (fungsi kerja) dan menjadi tenaga kinetik elektron, yang memiliki elektron yang tersingkir mula bergerak. keluar dari logam, meninggalkannya.

Katakan foton dengan panjang gelombang yang diketahui mengenai permukaan logam yang mana fungsi kerja (elektron daripada logam) diketahui. Dalam kes ini, tenaga kinetik elektron yang dipancarkan daripada logam tertentu boleh didapati dengan mudah, serta halajunya.

Jika tenaga foton tidak mencukupi untuk elektron melaksanakan fungsi kerja, maka elektron tidak boleh meninggalkan permukaan logam yang diberikan dan fotoelektron tidak terbentuk.

Pada tahun 1924, seorang ahli fizik Perancis Louis de Broglie mengemukakan idea terobosan mengikut mana bukan sahaja foton cahaya tetapi elektron sendiri boleh berkelakuan seperti gelombang. Para saintis itu juga memperoleh formula untuk panjang gelombang hipotesis elektron. Gelombang ini kemudiannya dipanggil "gelombang de Broglie".

Hipotesis De Broglie kemudiannya disahkan. Satu eksperimen fizik mengenai pembelauan elektron, yang dijalankan pada tahun 1927 oleh saintis Amerika Clinton Davison dan Lester Germer, akhirnya menunjukkan sifat gelombang elektron.

Apabila pancaran elektron diarahkan melalui struktur atom khas, nampaknya pengesan sepatutnya merekodkan gambar sebagai zarah yang terbang satu demi satu, yang secara logiknya dijangka jika elektron adalah zarah.

Tetapi dalam amalan kita mempunyai ciri gambar pembelauan gelombang. Selain itu, panjang gelombang ini benar-benar konsisten dengan konsep yang dicadangkan oleh de Broglie.

Akhirnya, idea de Broglie memungkinkan untuk menjelaskan prinsip model atom Bohr, dan kemudiannya ia memungkinkan untuk Erwin Schrödinger untuk menyamaratakan idea-idea ini dan meletakkan asas fizik kuantum moden.