Els electrons es comporten com ones

Els físics saben des de fa temps que la llum és una ona electromagnètica. Fins al dia d'avui, ningú no dubta d'aquesta posició, ja que la llum mostra clarament tots els signes del comportament de les ones: les ones de llum es poden solapar entre si, generant un patró d'interferència, també són capaços de separar-se, doblegant-se al voltant dels obstacles al llarg del temps de difracció.

Quan veiem un ocell que camina com un ànec, neda com un ànec i charla com un ànec, l'anomenem ànec. Així que la llum és ona electromagnèticabasat en signes observats objectivament del comportament d'aquesta ona a la llum.

Tanmateix, a finals dels segles XIX i XX, els físics començaren a parlar del «dualisme partícula-ona» de la llum. Resulta que el coneixement que la llum és una ona electromagnètica no és tot el que la ciència sap sobre la llum. Els científics han descobert una característica molt interessant a la llum.

Resulta que d'alguna manera la llum es manifesta com el comportament d'un corrent de partícules d'alguna manera.Es va trobar que l'energia transportada per la llum, després de ser comptada durant un cert període de temps per un detector especial, resulta estar composta de totes maneres per peces individuals (senceres).

Per tant, es va fer cert que l'energia de la llum és discreta, perquè està composta, per així dir-ho, de partícules individuals, "quanta", és a dir, de les porcions senceres més petites d'energia. Aquesta partícula de llum, que transportava una unitat (o quàntica) d'energia, es va anomenar fotó.

L'energia d'un fotó es troba mitjançant la fórmula següent:

E — energia fotònica, h — constant de Planck, v — freqüència.

El físic alemany Max Planck va establir per primera vegada experimentalment el fet de la discreció de l'ona de llum i va calcular el valor de la constant h, que apareix a la fórmula per trobar l'energia dels fotons individuals. Aquest valor va resultar ser: 6,626 * 10-34 J * s. Planck va publicar els resultats del seu treball a finals del 1900.

Penseu, per exemple, en un raig morat. La freqüència d'aquesta llum (f o v) és de 7,5 * 1014 Hz. La constant de Planck (h) és de 6,626 * 10-34 J * s. Això vol dir que l'energia del fotó, (E), característica del color violeta, és de 5 * 10-19 J. Aquesta és una porció tan petita d'energia que és molt difícil de capturar.

Imagineu-vos un rierol de muntanya: flueix com una unitat, i és impossible veure a ull nu que el rierol està format en realitat per molècules d'aigua individuals. Avui, però, sabem que l'objecte macroscòpic —el flux— és realment discret, és a dir, està format per molècules individuals.

Això vol dir que si podem col·locar un comptador de molècules al costat del rierol per comptar les molècules d'aigua que passen a mesura que el rierol flueix, el detector sempre comptarà només nombres sencers de molècules d'aigua, no parcials.

De la mateixa manera, la gràfica de l'energia total del fotó E, calculada en el temps t — sempre no serà lineal (figura groga), sinó esglaonada (figura verda):

Per tant, els fotons es mouen, porten energia, per tant tenen impuls. Però un fotó no té massa. Aleshores, com pots trobar impuls?

De fet, per als objectes que es mouen a velocitats properes a la velocitat de la llum, la fórmula clàssica p = mv és simplement inaplicable. Per entendre com trobar impuls en aquest cas inusual, passem a la relativitat especial:

L'any 1905, Albert Einstein ho explica des d'aquest punt de vista efecte fotoelèctric... Sabem que la placa metàl·lica té electrons dins, que a l'interior són atrets pels nuclis carregats positivament dels àtoms i, per tant, queden retinguts en el metall. Però si brilleu una placa així amb una llum d'una certa freqüència, podeu treure electrons de la placa.

És com si la llum es comportés com un corrent de partícules amb impuls i, tot i que un fotó no té massa, d'alguna manera interacciona amb un electró d'un metall i, en determinades condicions, un fotó és capaç d'eliminar un electró.

Així, si un fotó que incideix a la placa té prou energia, aleshores l'electró sortirà del metall i sortirà de la placa amb la velocitat v. Aquest electró noquejat s'anomena fotoelectró.

Com que l'electró noquejat té una massa coneguda m, tindrà una certa energia cinètica mv.

L'energia del fotó, quan actua sobre el metall, es converteix en l'energia de sortida de l'electró del metall (funció de treball) i en l'energia cinètica de l'electró, que posseeix la qual l'electró noquejat comença a moure's. fora del metall, deixant-lo.

Suposem que un fotó de longitud d'ona coneguda colpeja la superfície d'un metall del qual es coneix la funció de treball (d'un electró del metall). En aquest cas, es pot trobar fàcilment l'energia cinètica d'un electró emès per un metall determinat, així com la seva velocitat.

Si l'energia del fotó no és suficient perquè l'electró realitzi la funció de treball, llavors l'electró simplement no pot sortir de la superfície del metall donat i el fotoelectró no es forma.

El 1924, un físic francès Louis de Broglie presentar una idea innovadora segons la qual no només els fotons de la llum sinó els electrons mateixos poden comportar-se com ones. El científic fins i tot va derivar una fórmula per a la hipotètica longitud d'ona de l'electró. Aquestes ones van ser anomenades posteriorment "ones de Broglie".

La hipòtesi de De Broglie es va confirmar més tard. Un experiment de física sobre la difracció d'electrons, realitzat el 1927 pels científics nord-americans Clinton Davison i Lester Germer, finalment va assenyalar la naturalesa ondulatòria de l'electró.

Quan un feix d'electrons es va dirigir a través d'una estructura atòmica especial, sembla que el detector hauria d'haver gravat la imatge com a partícules volant una darrere de l'altra, cosa que lògicament s'esperaria si els electrons fossin partícules.

Però a la pràctica tenim una imatge característica de la difracció d'ones. A més, les longituds d'aquestes ones són totalment coherents amb el concepte proposat per de Broglie.

Finalment, la idea de De Broglie va permetre explicar el principi del model atòmic de Bohr, i més tard va fer possible que Erwin Schrödinger generalitzés aquestes idees i assentés les bases de la física quàntica moderna.