Elektronid käituvad nagu lained

Füüsikud on juba ammu teadnud, et valgus on elektromagnetlaine. Tänaseni ei kahtle selles asendis keegi, kuna valgus näitab selgelt kõiki lainekäitumise tunnuseid: valguslained võivad üksteisega kattuda, tekitades interferentsimustrit, samuti on nad võimelised eralduma, paindudes mööda difraktsiooniaega takistuste ümber.

Kui näeme lindu, kes kõnnib nagu part, ujub nagu part ja vudib nagu part, kutsume seda lindu pardiks. Nii et valgus on elektromagnetlainemis põhineb objektiivselt vaadeldud märkidel sellise laine käitumisest valguses.

19. sajandi lõpus ja 20. sajandil pidid füüsikud aga rääkima valguse «osakeste-laine dualismist». Selgub, et teadmine, et valgus on elektromagnetlaine, ei ole kõik, mida teadus valguse kohta teab. Teadlased on avastanud valguses väga huvitava omaduse.

Selgub, et mingil moel avaldub valgus osakeste voo käitumisena.Leiti, et valguse poolt kantud energia, olles teatud aja jooksul spetsiaalse detektoriga loendatud, koosneb nagunii üksikutest (tervetest) tükkidest.

Seetõttu sai tõeks, et valguse energia on diskreetne, kuna see koosneb justkui üksikutest osakestest - "kvantidest", see tähendab energia väikseimatest tervetest osadest. Sellist energiaühikut (või kvanti) kandvat valgusosakest hakati nimetama footoniks.

Ühe footoni energia leitakse järgmise valemiga:

E — footoni energia, h — Plancki konstant, v — sagedus.

Saksa füüsik Max Planck tegi esmalt eksperimentaalselt kindlaks valguslaine diskreetsuse fakti ja arvutas välja konstandi h väärtuse, mis ilmneb üksikute footonite energia leidmise valemis. See väärtus osutus: 6,626 * 10-34 J * s. Planck avaldas oma töö tulemused 1900. aastate lõpus.

Mõelge näiteks lillale kiirele. Sellise valguse sagedus (f või v) on 7,5 * 1014 Hz Plancki konstant (h) on 6,626 * 10-34 J * s. See tähendab, et violetsele värvile iseloomulik footoni energia (E) on 5 * 10-19 J. See on nii väike osa energiast, et seda on väga raske tabada.

Kujutage ette mägioja — see voolab ühe ühikuna ja palja silmaga on võimatu näha, et oja koosneb tegelikult üksikutest veemolekulidest. Tänapäeval teame aga, et makroskoopiline objekt – vool – on tegelikult diskreetne, st koosneb üksikutest molekulidest.

See tähendab, et kui suudame oja kõrvale asetada molekulide loenduri, et loendada voolu käigus mööduvad veemolekulid, loeb detektor alati ainult veemolekulide täisarvu, mitte osalisi.

Samamoodi ei osutu ajahetkel t arvutatud footoni E koguenergia graafik alati mitte lineaarseks (kollane joonis), vaid astmeliseks (roheline joonis):

Niisiis, footonid liiguvad, kannavad energiat, järelikult on neil hoog. Kuid footonil pole massi. Kuidas siis hoogu leida?

Tegelikult on valguse kiirusele lähedase kiirusega liikuvate objektide puhul klassikaline valem p = mv lihtsalt rakendamatu. Et mõista, kuidas sellel ebatavalisel juhul hoogu leida, pöördume erirelatiivsusteooria poole:

1905. aastal selgitas Albert Einstein sellest vaatenurgast fotoelektriline efekt… Me teame, et metallplaadi sees on elektronid, mida aatomite positiivselt laetud tuumad tõmbavad selle sees ja jäävad seetõttu metallisse. Aga kui läikida sellist plaati TEATUD sagedusega valgusega, siis võid elektronid plaadist välja lüüa.

Valgus käitub justkui impulsiga osakeste voona.Ja kuigi footonil pole massi, suhtleb ta ikkagi mingil moel metallis oleva elektroniga ja teatud tingimustel suudab footon elektroni välja lüüa.

Seega, kui plaadile langeval footonil on piisavalt energiat, lööb elektron metallist välja ja liigub plaadist välja kiirusega v. Sellist välja löödud elektroni nimetatakse fotoelektroniks.

Kuna väljatõrjutud elektronil on teadaolev mass m, on sellel teatud kineetiline energia mv.

Metallile mõjunud footoni energia muundub elektroni metallist väljumise energiaks (tööfunktsioon) ja elektroni kineetiliseks energiaks, mida omades hakkab välja löödud elektron liikuma. metallist välja, jättes selle maha.

Oletame, et teadaoleva lainepikkusega footon lööb vastu metalli pinda, mille tööfunktsioon (metallist pärineva elektroni) on teada. Sel juhul on antud metallist emiteeritud elektroni kineetiline energia ja ka kiirus kergesti leitav.

Kui footoni energiast ei piisa elektroni tööfunktsiooni täitmiseks, siis elektron lihtsalt ei saa antud metalli pinnalt lahkuda ja fotoelektron ei teki.

1924. aastal prantsuse füüsik Louis de Broglie esitada läbimurdeline idee, mille järgi mitte ainult valguse footonid, vaid ka elektronid ise võivad käituda lainetena. Teadlane tuletas isegi elektroni hüpoteetilise lainepikkuse valemi. Neid laineid nimetati hiljem "de Broglie laineteks".

De Broglie hüpotees leidis hiljem kinnitust. 1927. aastal Ameerika teadlaste Clinton Davisoni ja Lester Germeri poolt läbi viidud elektronide difraktsiooni füüsikakatse tõi lõpuks välja elektronide lainelise olemuse.

Kui elektronkiir suunati läbi spetsiaalse aatomistruktuuri, siis näib, et detektor oleks pidanud jäädvustama pildi üksteise järel lendlevate osakestena, mida oleks loogiliselt oodata, kui elektronid oleksid osakesed.

Kuid praktikas on meil laine difraktsioonile iseloomulik pilt. Pealegi on nende lainete pikkused täielikult kooskõlas de Broglie pakutud kontseptsiooniga.

Lõppkokkuvõttes võimaldas de Broglie idee selgitada Bohri aatomimudeli põhimõtet ja hiljem võimaldas see Erwin Schrödingeril neid ideid üldistada ja panna aluse kaasaegsele kvantfüüsikale.