Elektronai elgiasi kaip bangos
Fizikai jau seniai žinojo, kad šviesa yra elektromagnetinė banga. Šia pozicija niekas neabejoja iki šiol, nes šviesa aiškiai parodo visus bangų elgsenos požymius: šviesos bangos gali persidengti viena su kita, sukurdamos interferencijos modelį, jos taip pat gali atsiskirti, lenkdamos kliūtis išilgai difrakcijos laiko.
Kai matome paukštį, kuris vaikšto kaip antis, plaukia kaip antis ir kvatoja kaip antis, mes tą paukštį vadiname antimi. Taigi šviesa yra elektromagnetinė bangaremiantis objektyviai pastebėtais tokios bangos elgesio šviesoje požymiais.
Tačiau XIX ir XX amžių pabaigoje fizikai turėjo pradėti kalbėti apie šviesos „dalelių ir bangų dualizmą“. Pasirodo, žinios, kad šviesa yra elektromagnetinė banga, nėra viskas, ką mokslas žino apie šviesą. Mokslininkai atrado labai įdomią šviesos savybę.
Pasirodo, kažkaip šviesa kažkaip pasireiškia kaip dalelių srauto elgesys.Nustatyta, kad šviesos nešamą energiją per tam tikrą laiką suskaičiavus specialiu detektoriumi, paaiškėja, kad ji vis tiek susideda iš atskirų (visų) gabalėlių.
Todėl tapo tiesa, kad šviesos energija yra diskreti, nes ji susideda tarsi iš atskirų dalelių – „kvantų“, tai yra iš mažiausių ištisų energijos dalių. Tokia šviesos dalelė, nešanti energijos vienetą (arba kvantą), pradėta vadinti fotonu.
Vieno fotono energija randama pagal šią formulę:
E — fotono energija, h — Planko konstanta, v — dažnis.
Vokiečių fizikas Maxas Planckas pirmiausia eksperimentiškai nustatė šviesos bangos diskretiškumo faktą ir apskaičiavo konstantos h reikšmę, kuri atsiranda atskirų fotonų energijos nustatymo formulėje. Ši reikšmė pasirodė tokia: 6,626 * 10-34 J * s. Planckas paskelbė savo darbo rezultatus 1900-ųjų pabaigoje.
Apsvarstykite, pavyzdžiui, purpurinį spindulį. Tokios šviesos dažnis (f arba v) yra 7,5 * 1014 Hz Planko konstanta (h) yra 6,626 * 10-34 J * s. Tai reiškia, kad fotono energija (E), būdinga violetinei spalvai, yra 5 * 10-19 J. Tai tokia maža energijos dalis, kurią labai sunku užfiksuoti.
Įsivaizduokite kalnų upelį - jis teka kaip vienas vienetas, ir plika akimi neįmanoma pamatyti, kad upelis iš tikrųjų sudarytas iš atskirų vandens molekulių. Tačiau šiandien mes žinome, kad makroskopinis objektas - srautas - iš tikrųjų yra diskretus, tai yra, jis susideda iš atskirų molekulių.
Tai reiškia, kad jei šalia upelio galime pastatyti molekulių skaitiklį, kad suskaičiuotume vandens molekules, praeinančias srovei tekant, detektorius visada skaičiuos tik sveikus vandens molekulių skaičius, o ne dalines.
Panašiai ir visos fotono E energijos grafikas, apskaičiuotas momentu t — visada pasirodys ne tiesinis (geltona figūra), o laipsniškas (žalia figūra):
Taigi fotonai juda, neša energiją, todėl turi impulsą. Tačiau fotonas neturi masės. Kaip tada galima rasti pagreitį?
Tiesą sakant, objektams, judantiems artimu šviesos greičiui, klasikinė formulė p = mv tiesiog netaikoma. Norėdami suprasti, kaip rasti pagreitį šiuo neįprastu atveju, pažvelkime į specialųjį reliatyvumą:
1905 metais Albertas Einšteinas paaiškino šiuo požiūriu fotoelektrinis efektas… Mes žinome, kad metalinėje plokštelėje yra elektronų, kuriuos jos viduje traukia teigiamai įkrauti atomų branduoliai, todėl jie išlieka metale. Bet jei tokią plokštę apšviesite TAM TAM DAŽNIO šviesa, tuomet galite išmušti elektronus iš plokštės.
Tarsi šviesa elgiasi kaip dalelių srautas su impulsu.Ir nors fotonas neturi masės, jis vis tiek kažkaip sąveikauja su metale esančiu elektronu ir tam tikromis sąlygomis fotonas gali išmušti elektroną.
Taigi, jei ant plokštelės nukritęs fotonas turi pakankamai energijos, elektronas bus išmuštas iš metalo ir pasitrauks iš plokštės greičiu v. Toks išmuštas elektronas vadinamas fotoelektronu.
Kadangi išmuštas elektronas turi žinomą masę m, jis turės tam tikrą kinetinę energiją mv.
Fotono energija, kai jis veikia metalą, paverčiamas elektrono išėjimo iš metalo energija (darbo funkcija) ir elektrono kinetine energija, kurią turėdamas išmuštas elektronas pradeda judėti. iš metalo, palikdamas jį.
Tarkime, kad žinomo bangos ilgio fotonas atsitrenkia į metalo paviršių, kurio darbo funkcija (elektrono nuo metalo) yra žinoma. Šiuo atveju galima nesunkiai nustatyti tam tikro metalo išspinduliuoto elektrono kinetinę energiją, taip pat jo greitį.
Jeigu fotono energijos neužtenka elektronui atlikti darbo funkciją, tai elektronas tiesiog negali palikti duoto metalo paviršiaus ir fotoelektronas nesusidaro.
1924 m. prancūzų fizikas Louis de Broglie pateikti proveržio idėją, pagal kurią ne tik šviesos fotonai, bet ir patys elektronai gali elgtis kaip bangos. Mokslininkas netgi išvedė hipotetinio elektrono bangos ilgio formulę. Vėliau šios bangos buvo vadinamos „de Broglie bangomis“.
De Broglie hipotezė vėliau buvo patvirtinta. Fizinis elektronų difrakcijos eksperimentas, kurį 1927 m. atliko amerikiečių mokslininkai Clintonas Davisonas ir Lesteris Germeris, galiausiai parodė elektrono banginę prigimtį.
Kai elektronų pluoštas buvo nukreiptas per specialią atominę struktūrą, atrodo, kad detektorius turėjo užfiksuoti vaizdą kaip daleles, skrendančias viena po kitos, o to logiškai būtų galima tikėtis, jei elektronai būtų dalelės.
Tačiau praktiškai turime vaizdą, būdingą bangų difrakcijai. Be to, šių bangų ilgiai visiškai atitinka de Broglie pasiūlytą koncepciją.
Galiausiai de Broglie idėja leido paaiškinti Bohro atominio modelio principą, o vėliau Erwinui Schrödingeriui pavyko apibendrinti šias idėjas ir padėti šiuolaikinės kvantinės fizikos pagrindus.