Elektroni uzvedas kā viļņi

Fiziķi jau sen zina, ka gaisma ir elektromagnētisks vilnis. Līdz pat šai dienai neviens neapšauba šo pozīciju, jo gaisma skaidri parāda visas viļņu uzvedības pazīmes: gaismas viļņi var pārklāties viens ar otru, radot traucējumu modeli, tie spēj arī atdalīties, noliecoties ap šķēršļiem difrakcijas laikā.

Kad mēs redzam putnu, kas staigā kā pīle, peld kā pīle un čīkst kā pīle, mēs šo putnu saucam par pīli. Tātad gaisma ir elektromagnētiskais vilnispamatojoties uz objektīvi novērotām pazīmēm par šāda viļņa uzvedību gaismā.

Tomēr 19. gadsimta beigās un 20. gadsimtā fiziķiem bija jāsāk runāt par gaismas "daļiņu-viļņu duālismu". Izrādās, ka zināšanas, ka gaisma ir elektromagnētiskais vilnis, nav viss, ko zinātne zina par gaismu. Zinātnieki ir atklājuši ļoti interesantu iezīmi gaismā.

Izrādās, ka gaisma kaut kā izpaužas kā daļiņu plūsmas uzvedība.Tika konstatēts, ka gaismas nestā enerģija pēc tam, kad to noteiktā laika periodā ar īpašu detektoru skaitīja, izrādās, ka tā sastāv no atsevišķiem (veseliem) gabaliem.

Tāpēc kļuva taisnība, ka gaismas enerģija ir diskrēta, jo tā it kā sastāv no atsevišķām daļiņām - "kvantiem", tas ir, no mazākajām veselajām enerģijas daļām. Šādu gaismas daļiņu, kas nes enerģijas vienību (vai kvantu), sāka saukt par fotonu.

Viena fotona enerģiju nosaka pēc šādas formulas:

E — fotona enerģija, h — Planka konstante, v — frekvence.

Vācu fiziķis Makss Planks vispirms eksperimentāli konstatēja gaismas viļņa diskrētuma faktu un aprēķināja konstantes h vērtību, kas parādās atsevišķu fotonu enerģijas noteikšanas formulā. Šī vērtība izrādījās: 6,626 * 10-34 J * s. Planks publicēja sava darba rezultātus 1900. gadu beigās.

Apsveriet, piemēram, violetu staru. Šādas gaismas frekvence (f vai v) ir 7,5 * 1014 Hz Planka konstante (h) ir 6,626 * 10-34 J * s. Tas nozīmē, ka fotona enerģija (E), kas raksturīga violetai krāsai, ir 5 * 10-19 J. Tā ir tik maza enerģijas daļa, ka to ir ļoti grūti uztvert.

Iedomājieties kalnu straumi — tā plūst kā viena vienība, un ar neapbruņotu aci nav iespējams redzēt, ka straume patiesībā sastāv no atsevišķām ūdens molekulām. Tomēr šodien mēs zinām, ka makroskopiskais objekts - plūsma - faktiski ir diskrēts, tas ir, tas sastāv no atsevišķām molekulām.

Tas nozīmē, ka, ja mēs varam novietot molekulu skaitītāju blakus straumei, lai saskaitītu ūdens molekulas, kas plūst garām straumei, detektors vienmēr saskaitīs tikai veselus ūdens molekulu skaitļus, nevis daļējus.

Tāpat fotona E kopējās enerģijas grafiks, kas aprēķināts laikā t — vienmēr izrādīsies nevis lineārs (dzeltens skaitlis), bet gan pakāpenisks (zaļš):

Tātad fotoni kustas, nes enerģiju, tāpēc tiem ir impulss. Bet fotonam nav masas. Kā tad var atrast impulsu?

Faktiski objektiem, kas pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismas ātrumam, klasiskā formula p = mv vienkārši nav piemērojama. Lai saprastu, kā atrast impulsu šajā neparastajā gadījumā, pievērsīsimies īpašajai relativitātei:

1905. gadā Alberts Einšteins skaidroja no šī viedokļa fotoelektriskais efekts… Mēs zinām, ka metāla plāksnē ir elektroni, kurus tās iekšienē piesaista pozitīvi lādētie atomu kodoli un tādējādi tiek saglabāti metālā. Bet, ja jūs apspīdināt šādu plāksni ar NOTEIKTAS frekvences gaismu, tad jūs varat izsist elektronus no plāksnes.

It kā gaisma uzvedas kā daļiņu straume ar impulsu.Un, lai gan fotonam nav masas, tas tomēr kaut kādā veidā mijiedarbojas ar elektronu metālā, un noteiktos apstākļos fotons spēj izsist elektronu.

Tātad, ja fotonam, kas krīt uz plāksnes, ir pietiekami daudz enerģijas, elektrons tiks izsists no metāla un izkustēsies no plāksnes ar ātrumu v. Šādu izsisto elektronu sauc par fotoelektronu.

Tā kā izsistajam elektronam ir zināma masa m, tam būs noteikta kinētiskā enerģija mv.

Fotona enerģija, iedarbojoties uz metālu, pārvēršas elektrona izejas enerģijā no metāla (darba funkcija) un elektrona kinētiskajā enerģijā, kuru apgūstot, izsistais elektrons sāk kustēties. ārā no metāla, atstājot to.

Pieņemsim, ka zināma viļņa garuma fotons ietriecas metāla virsmā, kuram ir zināma (elektronam no metāla) darba funkcija. Šajā gadījumā var viegli atrast no konkrētā metāla izstarotā elektrona kinētisko enerģiju, kā arī tā ātrumu.

Ja fotona enerģija nav pietiekama, lai elektrons veiktu darba funkciju, tad elektrons vienkārši nevar iziet no dotā metāla virsmas un fotoelektrons neveidojas.

1924. gadā franču fiziķis Luiss de Broglis izvirzīja izrāvienu ideju, saskaņā ar kuru ne tikai gaismas fotoni, bet arī paši elektroni var uzvesties kā viļņi. Zinātnieks pat atvasināja hipotētiskā elektrona viļņa garuma formulu. Šos viļņus vēlāk sauca par "de Broglie viļņiem".

De Broglie hipotēze vēlāk tika apstiprināta. Elektronu difrakcijas fizikas eksperiments, ko 1927. gadā veica amerikāņu zinātnieki Klintons Deivisons un Lesters Germers, beidzot norādīja uz elektrona viļņa raksturu.

Kad elektronu stars tika virzīts caur īpašu atomu struktūru, šķiet, ka detektoram attēlu vajadzēja ierakstīt kā daļiņas, kas lido viena pēc otras, kas loģiski būtu sagaidāms, ja elektroni būtu daļiņas.

Bet praksē mums ir viļņu difrakcijai raksturīgs attēls. Turklāt šo viļņu garums pilnībā atbilst de Broglie piedāvātajai koncepcijai.

Galu galā de Broglie ideja ļāva izskaidrot Bora atomu modeļa principu, un vēlāk tā ļāva Ervinam Šrēdingeram vispārināt šīs idejas un likt mūsdienu kvantu fizikas pamatus.