Elektroni se obnašajo kot valovi

Fiziki že dolgo vedo, da je svetloba elektromagnetno valovanje. Do danes nihče ne dvomi v to stališče, saj svetloba jasno prikazuje vse znake valovnega obnašanja: svetlobni valovi se lahko medsebojno prekrivajo in ustvarjajo interferenčni vzorec, prav tako se lahko ločijo, upogibajo okoli ovir vzdolž časa uklona.

Ko vidimo ptico, ki hodi kot raca, plava kot raca in kvaka kot raca, tej ptici rečemo raca. Svetloba je torej elektromagnetno valovanjena podlagi objektivno opazovanih znakov obnašanja takega valovanja v svetlobi.

Vendar pa naj bi v poznem 19. in 20. stoletju fiziki začeli govoriti o »dualizmu delcev in valov« svetlobe. Izkazalo se je, da znanje, da je svetloba elektromagnetno valovanje, ni vse, kar znanost ve o svetlobi. Znanstveniki so odkrili zelo zanimivo lastnost svetlobe.

Izkazalo se je, da se svetloba nekako manifestira KOT obnašanje toka delcev.Ugotovljeno je bilo, da se energija, ki jo prenaša svetloba, po določenem časovnem štetju s posebnim detektorjem vseeno izkaže za sestavljeno iz posameznih (celih) kosov.

Zato se je izkazalo, da je svetlobna energija diskretna, saj je sestavljena tako rekoč iz posameznih delcev – »kvantov«, torej iz najmanjših celih delov energije. Tak delec svetlobe, ki nosi enoto (ali kvant) energije, so poimenovali foton.

Energijo enega fotona dobimo z naslednjo formulo:

E — energija fotona, h — Planckova konstanta, v — frekvenca.

Nemški fizik Max Planck je prvi eksperimentalno ugotovil dejstvo diskretnosti svetlobnega valovanja in izračunal vrednost konstante h, ki nastopa v formuli za iskanje energije posameznih fotonov. Ta vrednost se je izkazala za: 6,626 * 10-34 J * s. Planck je objavil rezultate svojega dela v poznih 1900-ih.

Razmislite na primer o vijoličnem žarku. Frekvenca takšne svetlobe (f ali v) je 7,5 * 1014 Hz Planckova konstanta (h) je 6,626 * 10-34 J * s. To pomeni, da je energija fotona (E), ki je značilna za vijolično barvo, 5 * 10-19 J. To je tako majhen delež energije, da ga je zelo težko zajeti.

Predstavljajte si gorski potok - teče kot ena enota in s prostim očesom je nemogoče videti, da je potok dejansko sestavljen iz posameznih molekul vode. Danes pa vemo, da je makroskopski objekt – tok – pravzaprav diskreten, torej sestavljen iz posameznih molekul.

To pomeni, da če lahko poleg potoka postavimo števec molekul za štetje molekul vode, ki gredo mimo, ko potok teče, bo detektor vedno štel samo cela števila molekul vode, ne delnih.

Podobno se bo graf skupne energije fotona E, izračunan v času t — vedno izkazal za ne linearnega (rumena slika), ampak stopenjsko (zelena slika):

Torej, fotoni se gibljejo, nosijo energijo, torej imajo zagon. Toda foton nima mase. Kako potem najti zagon?

Pravzaprav za predmete, ki se premikajo s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti, klasična formula p = mv preprosto ni uporabna. Da bi razumeli, kako najti zagon v tem nenavadnem primeru, se obrnemo na posebno teorijo relativnosti:

Leta 1905 je Albert Einstein pojasnil s tega vidika fotoelektrični učinek… Vemo, da ima kovinska plošča v sebi elektrone, ki jih v notranjosti privlačijo pozitivno nabita jedra atomov in se zato zadržijo v kovini. Če pa tako ploščo osvetliš s svetlobo DOLOČENE frekvence, potem lahko iz plošče izbiješ elektrone.

Kot da se svetloba obnaša kot tok delcev z gibalno količino. In čeprav foton nima mase, še vedno nekako interagira z elektronom v kovini in pod določenimi pogoji lahko foton izbije elektron.

Torej, če ima foton, ki vpade na ploščo, dovolj energije, potem bo elektron izbit iz kovine in se premaknil iz plošče s hitrostjo v. Tako izbit elektron imenujemo fotoelektron.

Ker ima izbiti elektron znano maso m, bo imel določeno kinetično energijo mv.

Energija fotona, ko je deloval na kovino, se pretvori v energijo izstopa elektrona iz kovine (delovna funkcija) in v kinetično energijo elektrona, s katero se izbiti elektron začne premikati. iz kovine, tako da ostane.

Recimo, da foton znane valovne dolžine zadene površino kovine, za katero je znana delovna funkcija (elektrona iz kovine). V tem primeru je mogoče zlahka najti kinetično energijo elektrona, oddanega iz dane kovine, in njegovo hitrost.

Če energija fotona ne zadostuje, da bi elektron opravil delovno funkcijo, potem elektron preprosto ne more zapustiti površine dane kovine in fotoelektron ne nastane.

Leta 1924 francoski fizik Louis de Broglie postavili prelomno idejo, po kateri ne samo fotoni svetlobe, ampak tudi sami elektroni se lahko obnašajo kot valovi. Znanstvenik je celo izpeljal formulo za hipotetično valovno dolžino elektrona. Te valove so pozneje poimenovali "de Brogliejevi valovi".

De Brogliejeva hipoteza je bila pozneje potrjena. Fizikalni poskus elektronske difrakcije, ki sta ga leta 1927 izvedla ameriška znanstvenika Clinton Davison in Lester Germer, je končno opozoril na valovno naravo elektrona.

Ko je bil žarek elektronov usmerjen skozi posebno atomsko strukturo, se zdi, da bi moral detektor posneti sliko delcev, ki letijo drug za drugim, kar bi bilo logično pričakovati, če bi bili elektroni delci.

Toda v praksi imamo sliko, značilno za valovno difrakcijo. Poleg tega so dolžine teh valov popolnoma skladne s konceptom, ki ga je predlagal de Broglie.

Navsezadnje je de Brogliejeva ideja omogočila razlago principa Bohrovega atomskega modela, kasneje pa je omogočila Erwinu Schrödingerju, da posploši te ideje in postavi temelje sodobne kvantne fizike.