Elektroni se ponašaju kao valovi

Fizičari već dugo znaju da je svjetlost elektromagnetski val. Do danas nitko ne sumnja u ovu poziciju, budući da svjetlost jasno pokazuje sve znakove ponašanja valova: svjetlosni valovi mogu se međusobno preklapati, generirajući interferencijski uzorak, također se mogu odvojiti, savijajući se oko prepreka tijekom vremena difrakcije.

Kad vidimo pticu koja hoda kao patka, pliva kao patka i kvoca kao patka, mi tu pticu zovemo patka. Dakle, svjetlo je elektromagnetski valna temelju objektivno promatranih znakova ponašanja takvog vala u svjetlu.

Međutim, u kasnom 19. i 20. stoljeću fizičari će početi govoriti o «čestično-valnom dualizmu» svjetlosti. Ispada da spoznaja da je svjetlost elektromagnetski val nije sve što znanost zna o svjetlosti. Znanstvenici su otkrili vrlo zanimljivu osobinu svjetla.

Ispostavilo se da se svjetlost nekako manifestira KAO ponašanje toka čestica.Utvrđeno je da se energija nošena svjetlom, nakon određenog vremenskog brojanja pomoću posebnog detektora, ionako pokaže sastavljena od pojedinačnih (cijelih) dijelova.

Stoga se pokazalo da je energija svjetlosti diskretna, jer je sastavljena, takoreći, od pojedinačnih čestica - "kvanta", odnosno od najmanjih cijelih dijelova energije. Takva čestica svjetlosti, koja nosi jedinicu (ili kvant) energije, nazvana je foton.

Energija jednog fotona nalazi se prema sljedećoj formuli:

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

Njemački fizičar Max Planck prvi je eksperimentalno utvrdio činjenicu o diskretnosti svjetlosnog vala i izračunao vrijednost konstante h koja se pojavljuje u formuli za pronalaženje energije pojedinačnih fotona. Ispostavilo se da je ova vrijednost: 6,626 * 10-34 J * s. Planck je objavio rezultate svog rada u kasnim 1900-ima.

Razmotrimo, na primjer, ljubičastu zraku. Frekvencija takve svjetlosti (f ili v) je 7,5 * 1014 Hz Planckova konstanta (h) je 6,626 * 10-34 J * s. To znači da je energija fotona, (E), karakteristična za ljubičastu boju, 5 * 10-19 J. To je tako mali dio energije da ga je vrlo teško uhvatiti.

Zamislite planinski potok - on teče kao jedna cjelina i nemoguće je vidjeti golim okom da se potok zapravo sastoji od pojedinačnih molekula vode. Danas, međutim, znamo da je makroskopski objekt - tok - zapravo diskretan, odnosno da se sastoji od pojedinačnih molekula.

To znači da ako možemo postaviti brojač molekula pored potoka za brojanje molekula vode koje prolaze dok potok teče, detektor će uvijek brojati samo cijele brojeve molekula vode, a ne djelomične.

Slično tome, grafikon ukupne energije fotona E, izračunat u trenutku t — uvijek će se pokazati ne linearnim (žuta slika), već stepenastim (zelena slika):

Dakle, fotoni se kreću, nose energiju, dakle imaju zamah. Ali foton nema masu. Kako onda možete pronaći zamah?

Zapravo, za objekte koji se kreću brzinama bliskim brzini svjetlosti, klasična formula p = mv jednostavno je neprimjenjiva. Da bismo razumjeli kako pronaći zamah u ovom neobičnom slučaju, okrenimo se posebnoj teoriji relativnosti:

Godine 1905. Albert Einstein je objasnio s ove točke gledišta fotoelektrični efekt… Znamo da metalna ploča ima elektrone u sebi, koje unutar nje privlače pozitivno nabijene jezgre atoma i stoga se zadržavaju u metalu. Ali ako takvu ploču obasjate svjetlom ODREĐENE frekvencije, tada možete izbaciti elektrone iz ploče.

Kao da se svjetlost ponaša kao struja čestica s količinom gibanja. I iako foton nema masu, on ipak na neki način stupa u interakciju s elektronom u metalu, a pod određenim uvjetima foton može izbaciti elektron.

Dakle, ako foton koji upadne na ploču ima dovoljno energije, tada će elektron biti izbačen iz metala i krenuti iz ploče brzinom v. Tako izbačeni elektron naziva se fotoelektron.

Budući da izbačeni elektron ima poznatu masu m, imat će određenu kinetičku energiju mv.

Energija fotona, kada je djelovao na metal, pretvara se u energiju izlaska elektrona iz metala (rad rada) iu kinetičku energiju elektrona, posjedovanjem koje se izbačeni elektron počinje gibati. iz metala, ostavljajući ga.

Pretpostavimo da foton poznate valne duljine udari u površinu metala za koji je poznat rad izlaza (elektrona iz metala). U tom se slučaju lako može pronaći kinetička energija elektrona emitiranog iz određenog metala, kao i njegova brzina.

Ako energija fotona nije dovoljna da elektron izvrši izlazni rad, tada elektron jednostavno ne može napustiti površinu danog metala i fotoelektron se ne formira.

Godine 1924. francuski fizičar Louis de Broglie iznio prijelomnu ideju prema kojoj ne samo fotoni svjetlosti nego i sami elektroni mogu se ponašati kao valovi. Znanstvenik je čak izveo formulu za hipotetsku valnu duljinu elektrona. Ti su valovi kasnije nazvani "de Broglie valovi".

De Broglieova hipoteza kasnije je potvrđena. Fizički eksperiment o difrakciji elektrona, koji su 1927. proveli američki znanstvenici Clinton Davison i Lester Germer, konačno je ukazao na valnu prirodu elektrona.

Kad se snop elektrona usmjeri kroz posebnu atomsku strukturu, čini se da je detektor trebao zabilježiti sliku čestica koje lete jedna za drugom, što bi se logično očekivalo da su elektroni čestice.

Ali u praksi imamo sliku karakterističnu za difrakciju valova. Štoviše, duljine ovih valova potpuno su u skladu s konceptom koji je predložio de Broglie.

U konačnici, de Broglieova ideja omogućila je objašnjenje principa Bohrovog atomskog modela, a kasnije je omogućila Erwinu Schrödingeru da generalizira te ideje i postavi temelje moderne kvantne fizike.