Elektronit käyttäytyvät kuin aallot

Fyysikot ovat pitkään tienneet, että valo on sähkömagneettista aaltoa. Tähän päivään mennessä kukaan ei epäile tätä asemaa, koska valo osoittaa selvästi kaikki aaltokäyttäytymisen merkit: valoaallot voivat olla päällekkäin toistensa kanssa, muodostaen interferenssikuvion, ne pystyvät myös erottumaan taivuttaen esteiden ympäri diffraktioajan kuluessa.

Kun näemme linnun, joka kävelee kuin ankka, ui kuin ankka ja huusi kuin ankka, me kutsumme lintua ankkaaksi. Valo on siis sähkömagneettinen aaltoperustuu objektiivisesti havaittuihin merkkeihin tällaisen aallon käyttäytymisestä valossa.

Kuitenkin 1800- ja 1900-luvun lopulla fyysikot alkoivat puhua valon "hiukkasaallon dualismista". Osoittautuu, että tieto siitä, että valo on sähkömagneettinen aalto, ei ole kaikki, mitä tiede tietää valosta. Tiedemiehet ovat löytäneet valossa erittäin mielenkiintoisen ominaisuuden.

Osoittautuu, että jotenkin valo ilmenee hiukkasvirran käyttäytymisenä jotenkin.Todettiin, että valon kuljettama energia, sen jälkeen kun se oli laskettu tietyn ajanjakson aikana erityisellä detektorilla, osoittautuu joka tapauksessa koostuvan yksittäisistä (kokonaisista) kappaleista.

Siksi tuli totta, että valon energia on diskreetti, koska se koostuu ikään kuin yksittäisistä hiukkasista - "kvanteista", eli pienimmistä kokonaisista energian osista. Tällaista valohiukkasta, joka kantaa energiayksikön (tai kvantin), alettiin kutsua fotoniksi.

Yhden fotonin energia saadaan seuraavalla kaavalla:

E — fotonienergia, h — Planckin vakio, v — taajuus.

Saksalainen fyysikko Max Planck totesi ensin kokeellisesti valoaallon diskreettisyyden tosiasian ja laski vakion h arvon, joka näkyy kaavassa yksittäisten fotonien energian löytämiseksi. Tämä arvo osoittautui: 6,626 * 10-34 J * s. Planck julkaisi työnsä tulokset 1900-luvun lopulla.

Harkitse esimerkiksi violettia sädettä. Tällaisen valon taajuus (f tai v) on 7,5 * 1014 Hz Planckin vakio (h) on 6,626 * 10-34 J * s. Tämä tarkoittaa, että violetin värin fotonin energia (E) on 5 * 10-19 J. Tämä on niin pieni osa energiaa, että sitä on erittäin vaikea siepata.

Kuvittele vuoristopuro - se virtaa yhtenä yksikkönä, ja on mahdotonta nähdä paljaalla silmällä, että puro todella koostuu yksittäisistä vesimolekyyleistä. Nykyään tiedämme kuitenkin, että makroskooppinen kohde - virtaus - on itse asiassa diskreetti, eli se koostuu yksittäisistä molekyyleistä.

Tämä tarkoittaa, että jos voimme sijoittaa molekyylilaskurin virran viereen laskemaan virran kulkiessa ohi kulkevia vesimolekyylejä, ilmaisin laskee aina vain kokonaislukuja vesimolekyylejä, ei osittaisia.

Samoin fotonin E kokonaisenergian kuvaaja, joka lasketaan hetkellä t - ei aina osoittautuu lineaariseksi (keltainen kuva), vaan vaiheittain (vihreä kuva):

Joten fotonit liikkuvat, ne kuljettavat energiaa, joten niillä on vauhtia. Mutta fotonilla ei ole massaa. Miten sitten voi löytää vauhtia?

Itse asiassa esineille, jotka liikkuvat lähellä valonnopeutta, klassista kaavaa p = mv ei yksinkertaisesti voida soveltaa. Ymmärtääksemme kuinka löytää vauhtia tässä epätavallisessa tapauksessa, siirrytään erityiseen suhteellisuusteoriaan:

Vuonna 1905 Albert Einstein selitti tästä näkökulmasta valosähköinen ilmiö… Tiedämme, että metallilevyssä on elektroneja, jotka atomien positiivisesti varautuneet ytimet vetävät puoleensa sen sisällä ja jäävät siksi metalliin. Mutta jos loistat tällaisen levyn TIETTYÄ taajuudella olevalla valolla, voit lyödä elektroneja ulos levystä.

Valo käyttäytyy ikään kuin vauhdikas hiukkasvirta, ja vaikka fotonilla ei ole massaa, se on silti jotenkin vuorovaikutuksessa metallissa olevan elektronin kanssa, ja tietyissä olosuhteissa fotoni pystyy tyrmäämään elektronin.

Joten jos levylle osuvalla fotonilla on tarpeeksi energiaa, elektroni tippuu pois metallista ja siirtyy pois levystä nopeudella v. Tällaista tyrmättyä elektronia kutsutaan fotoelektroniksi.

Koska tyrmätyn elektronin massa m tunnetaan, sillä on tietty liike-energia mv.

Fotonin energia, kun se vaikutti metalliin, muuttuu elektronin metallista poistumisen energiaksi (työtoiminto) ja elektronin kineettiseksi energiaksi, jonka hallussa syrjäytynyt elektroni alkaa liikkua. pois metallista jättäen sen.

Oletetaan, että tunnetun aallonpituuden omaava fotoni iskee metallin pintaan, jonka työfunktio (metallista peräisin olevan elektronin) tunnetaan. Tässä tapauksessa tietystä metallista emittoidun elektronin kineettinen energia ja sen nopeus voidaan helposti löytää.

Jos fotonin energia ei riitä elektronin suorittamaan työtehtävää, elektroni ei yksinkertaisesti voi poistua tietyn metallin pinnalta ja fotoelektronia ei muodostu.

Vuonna 1924 ranskalainen fyysikko Louis de Broglie esittää läpimurtoidean, jonka mukaan ei vain valon fotonit, vaan myös elektronit itse voivat käyttäytyä aaltoina. Tiedemies johti jopa kaavan elektronin hypoteettiselle aallonpituudelle. Näitä aaltoja kutsuttiin myöhemmin "de Broglie-aaltoiksi".

De Broglien hypoteesi vahvistettiin myöhemmin. Yhdysvaltalaisten tutkijoiden Clinton Davison ja Lester Germer vuonna 1927 suorittama elektronidiffraktiokoke osoitti lopulta elektronin aaltoluonteen.

Kun elektronisäde ohjattiin erityisen atomirakenteen läpi, näyttää siltä, ​​että ilmaisimen olisi pitänyt tallentaa kuva peräkkäin lentäviksi hiukkasiksi, mikä olisi loogisesti odotettavissa, jos elektronit olisivat hiukkasia.

Mutta käytännössä meillä on aaltodiffraktiolle ominaista kuva. Lisäksi näiden aaltojen pituudet ovat täysin yhdenmukaisia ​​de Broglien ehdottaman konseptin kanssa.

Viime kädessä de Broglien idea mahdollisti Bohrin atomimallin periaatteen selittämisen, ja myöhemmin se mahdollisti Erwin Schrödingerin yleistämään nämä ideat ja luomaan perustan modernille kvanttifysiikan.