Elektronlar dalga gibi davranır

Fizikçiler ışığın elektromanyetik bir dalga olduğunu uzun zamandır biliyorlar. Işık, dalga davranışının tüm belirtilerini açıkça gösterdiğinden, bugüne kadar kimse bu konumdan şüphe duymuyor: ışık dalgaları birbiriyle örtüşerek bir girişim deseni oluşturabilir, ayrıca kırınım süresi boyunca engellerin etrafında bükülerek ayrılabilirler.

Ördek gibi yürüyen, ördek gibi yüzen ve ördek gibi vaklayan bir kuş gördüğümüzde o kuşa ördek deriz. Yani ışık elektromanyetik dalgaışıkta böyle bir dalganın davranışının nesnel olarak gözlemlenen işaretlerine dayanarak.

Ancak 19. yüzyılın sonlarında ve 20. yüzyılın sonlarında fizikçiler ışığın "parçacık-dalga ikiliği"nden bahsetmeye başlayacaklardı. Işığın bir elektromanyetik dalga olduğu bilgisinin, bilimin ışık hakkında bildiği her şey olmadığı ortaya çıktı. Bilim adamları ışıkta çok ilginç bir özellik keşfettiler.

Bir şekilde ışığın kendisini bir şekilde bir parçacık akışının davranışı olarak gösterdiği ortaya çıktı.Işığın taşıdığı enerjinin, özel bir detektör tarafından belirli bir süre boyunca sayıldıktan sonra, zaten tek tek (bütün) parçalardan oluştuğu ortaya çıktı.

Bu nedenle, ışığın enerjisinin ayrık olduğu, çünkü olduğu gibi, bireysel parçacıklardan - "kuanta", yani enerjinin en küçük bütün kısımlarından oluştuğu doğru hale geldi. Bir birim (veya kuantum) enerji taşıyan böyle bir ışık parçacığına foton adı verildi.

Bir fotonun enerjisi aşağıdaki formülle bulunur:

E — foton enerjisi, h — Planck sabiti, v — frekans.

Alman fizikçi Max Planck ilk olarak ışık dalgasının ayrıklığı gerçeğini deneysel olarak belirledi ve tek tek fotonların enerjisini bulma formülünde görünen h sabitinin değerini hesapladı. Bu değerin şu olduğu ortaya çıktı: 6.626 * 10-34 J * s. Planck, çalışmalarının sonuçlarını 1900'lerin sonunda yayınladı.

Örneğin mor bir ışın düşünün. Bu tür ışığın frekansı (f veya v) 7.5*1014 Hz Planck sabiti (h) 6.626*10-34 J*s'dir. Bu, mor rengin karakteristik özelliği olan fotonun enerjisinin (E) 5 * 10-19 J olduğu anlamına gelir. Bu, enerjinin o kadar küçük bir kısmıdır ki, yakalanması çok zordur.

Bir dağ nehri hayal edin - tek bir birim olarak akıyor ve akıntının aslında tek tek su moleküllerinden oluştuğunu çıplak gözle görmek imkansız. Ancak bugün, makroskopik nesnenin - akışın - aslında ayrık olduğunu, yani bireysel moleküllerden oluştuğunu biliyoruz.

Bunun anlamı, eğer akıntı akarken yanından geçen su moleküllerini saymak için akıntının yanına bir molekül sayacı yerleştirebilirsek, dedektör her zaman su moleküllerinin kısmi sayılarını değil tam sayılarını sayacaktır.

Benzer şekilde, t zamanında hesaplanan foton E'nin toplam enerjisinin grafiği her zaman doğrusal (sarı şekil) değil, adım adım (yeşil şekil) olacaktır:

Yani fotonlar hareket eder, enerji taşırlar, dolayısıyla momentumları vardır. Ancak bir fotonun kütlesi yoktur. O halde momentumu nasıl bulabilirsiniz?

Aslında, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden nesneler için klasik p = mv formülü uygulanamaz. Bu alışılmadık durumda momentumun nasıl bulunacağını anlamak için özel göreliliğe dönelim:

1905 yılında Albert Einstein bu bakış açısıyla açıkladı. fotoelektrik etki... Metal plakanın içinde, atomların pozitif yüklü çekirdekleri tarafından çekilen ve bu nedenle metalde tutulan elektronlara sahip olduğunu biliyoruz. Ancak böyle bir plakayı BELİRLİ bir frekansta ışıkla aydınlatırsanız, elektronları plakadan vurabilirsiniz.

Sanki ışık, momentumlu bir parçacık akışı gibi davranıyor ve bir fotonun kütlesi olmasa da, bir şekilde metaldeki bir elektronla etkileşime giriyor ve belirli koşullar altında bir foton bir elektronu yok edebiliyor.

Dolayısıyla, plakaya gelen bir foton yeterli enerjiye sahipse, o zaman elektron metalden dışarı atılacak ve v hızıyla plakadan dışarı hareket edecektir. Böyle bir nakavt elektrona fotoelektron denir.

Sökülen elektronun bilinen bir kütlesi m olduğundan, belirli bir kinetik enerjisi mv olacaktır.

Fotonun enerjisi, metal üzerinde etki ettiğinde, elektronun metalden çıkış enerjisine (iş fonksiyonu) ve elektronun kinetik enerjisine dönüştürülür, bu da ele geçirilen elektronun hareket etmeye başlamasına neden olur. metalin dışında bırakarak.

Bilinen dalga boyundaki bir fotonun, (metalden gelen bir elektronun) çalışma fonksiyonunun bilindiği bir metalin yüzeyine çarptığını varsayalım. Bu durumda, belirli bir metalden yayılan bir elektronun kinetik enerjisi ve hızı kolayca bulunabilir.

Fotonun enerjisi elektronun iş fonksiyonunu gerçekleştirmesi için yeterli değilse, o zaman elektron verilen metalin yüzeyini terk edemez ve fotoelektron oluşmaz.

1924 yılında bir Fransız fizikçi Louis de Broglie buna göre çığır açan bir fikir ileri sürmek sadece ışık fotonları değil, elektronların kendileri de dalgalar gibi davranabilir. Bilim adamı, elektronun varsayımsal dalga boyu için bir formül bile elde etti. Bu dalgalar daha sonra "de Broglie dalgaları" olarak adlandırıldı.

De Broglie'nin hipotezi daha sonra doğrulandı. Amerikalı bilim adamları Clinton Davison ve Lester Germer tarafından 1927'de yürütülen elektron kırınımı üzerine bir fizik deneyi sonunda elektronun dalga doğasına işaret etti.

Bir elektron demeti özel bir atomik yapıya yönlendirildiğinde, dedektörün görüntüyü birbiri ardına uçan parçacıklar olarak kaydetmesi gerektiği görülüyor; bu, elektronlar parçacık olsaydı mantıksal olarak beklenebilirdi.

Ancak pratikte, dalga kırınımının bir resmine sahibiz. Üstelik bu dalgaların uzunlukları, de Broglie'nin önerdiği kavramla tamamen tutarlıdır.

Nihayetinde de Broglie'nin fikri, Bohr'un atom modelinin ilkesini açıklamayı mümkün kıldı ve daha sonra Erwin Schrödinger'in bu fikirleri genelleştirmesini ve modern kuantum fiziğinin temellerini atmasını mümkün kıldı.