Ang mga electron ay kumikilos tulad ng mga alon

Matagal nang alam ng mga physicist na ang liwanag ay isang electromagnetic wave. Hanggang ngayon, walang nag-aalinlangan sa posisyong ito, dahil ang liwanag ay malinaw na nagpapakita ng lahat ng mga palatandaan ng pag-uugali ng alon: ang mga ilaw na alon ay maaaring magkakapatong sa isa't isa, na bumubuo ng isang pattern ng pagkagambala, nagagawa rin nilang maghiwalay, yumuko sa paligid ng mga hadlang sa oras ng diffraction.

Kapag nakakita tayo ng ibong naglalakad na parang pato, lumalangoy na parang pato, at kumakatok na parang pato, tinatawag natin ang ibong iyon na pato. Kaya ang ilaw ay electromagnetic wavebatay sa obhetibong naobserbahang mga palatandaan ng pag-uugali ng naturang alon sa liwanag.

Gayunpaman, sa huling bahagi ng ika-19 at ika-20 siglo, ang mga pisiko ay magsisimulang magsalita tungkol sa «particle-wave dualism» ng liwanag. Lumalabas na ang kaalaman na ang liwanag ay isang electromagnetic wave ay hindi lamang alam ng agham tungkol sa liwanag. Natuklasan ng mga siyentipiko ang isang napaka-kagiliw-giliw na tampok sa liwanag.

Lumalabas na sa paanuman ang liwanag ay nagpapakita ng sarili bilang pag-uugali ng isang stream ng mga particle sa anumang paraan.Napag-alaman na ang enerhiya na dala ng liwanag, pagkatapos mabilang sa isang tiyak na tagal ng panahon ng isang espesyal na detektor, ay lumalabas na binubuo pa rin ng mga indibidwal (buong) piraso.

Samakatuwid, ito ay naging totoo na ang enerhiya ng liwanag ay discrete, dahil ito ay binubuo, bilang ito ay, ng mga indibidwal na particle - "quanta", iyon ay, ng pinakamaliit na buong bahagi ng enerhiya. Ang nasabing butil ng liwanag, na nagdadala ng isang yunit (o quantum) ng enerhiya, ay tinawag na photon.

Ang enerhiya ng isang photon ay matatagpuan sa pamamagitan ng sumusunod na formula:

E — enerhiya ng photon, h — pare-pareho ng Planck, v — dalas.

Ang German physicist na si Max Planck ay unang nag-eksperimentong itinatag ang katotohanan ng discreteness ng light wave at kinakalkula ang halaga ng pare-parehong h, na lumilitaw sa formula para sa paghahanap ng enerhiya ng mga indibidwal na photon. Ang halagang ito ay naging: 6.626 * 10-34 J * s. Inilathala ni Planck ang mga resulta ng kanyang trabaho noong huling bahagi ng 1900s.

Isaalang-alang, halimbawa, ang isang lilang ray. Ang dalas ng naturang liwanag (f o v) ay 7.5 * 1014 Hz Ang pare-pareho ng Planck (h) ay 6.626 * 10-34 J * s. Nangangahulugan ito na ang enerhiya ng photon, (E), na katangian ng kulay na violet, ay 5 * 10-19 J. Ito ay napakaliit na bahagi ng enerhiya na napakahirap makuha.

Isipin ang isang stream ng bundok — dumadaloy ito bilang isang yunit, at imposibleng makita sa mata na ang batis ay talagang binubuo ng mga indibidwal na molekula ng tubig. Ngayon, gayunpaman, alam natin na ang macroscopic object—flow—ay talagang discrete, ibig sabihin, binubuo ito ng mga indibidwal na molekula.

Nangangahulugan ito na kung maaari tayong maglagay ng counter ng molekula sa tabi ng stream upang mabilang ang mga molekula ng tubig na dumadaan habang dumadaloy ang stream, palaging bibilangin lamang ng detector ang buong bilang ng mga molekula ng tubig, hindi mga partial.

Katulad nito, ang graph ng kabuuang enerhiya ng photon E, na kinakalkula sa oras t - ay palaging magiging hindi linear (dilaw na figure), ngunit stepwise (berdeng figure):

Kaya, gumagalaw ang mga photon, nagdadala sila ng enerhiya, samakatuwid mayroon silang momentum. Ngunit ang isang photon ay walang masa. Paano ka makakahanap ng momentum?

Sa katunayan, para sa mga bagay na gumagalaw sa bilis na malapit sa bilis ng liwanag, ang klasikal na formula na p = mv ay hindi nalalapat. Upang maunawaan kung paano makahanap ng momentum sa hindi pangkaraniwang kaso na ito, buksan natin ang espesyal na relativity:

Noong 1905, ipinaliwanag ni Albert Einstein mula sa puntong ito epekto ng photoelectric… Alam natin na ang metal plate ay may mga electron sa loob nito, na sa loob nito ay naaakit ng positively charged nuclei ng mga atomo at samakatuwid ay nananatili sa metal. Ngunit kung pinakinang mo ang gayong plato na may liwanag na may KATILING dalas, maaari mong itumba ang mga electron mula sa plato.

Para bang ang liwanag ay kumikilos tulad ng isang stream ng mga particle na may momentum. At kahit na ang isang photon ay walang masa, ito ay nakikipag-ugnayan pa rin sa isang electron sa isang metal, at sa ilalim ng ilang mga kundisyon ang isang photon ay maaaring magpatumba ng isang electron.

Kaya kung ang isang insidente ng photon sa plato ay may sapat na enerhiya, kung gayon ang electron ay itataboy sa labas ng metal at lalabas sa plato na may tulin na v. Ang nasabing isang knocked out na elektron ay tinatawag na isang photoelectron.

Dahil ang na-knock out na electron ay may kilalang mass m, magkakaroon ito ng tiyak na kinetic energy mv.

Ang enerhiya ng photon, kapag kumilos ito sa metal, ay na-convert sa enerhiya ng paglabas ng electron mula sa metal (work function) at sa kinetic energy ng electron, na nagtataglay kung saan ang knocked-out na electron ay nagsimulang gumalaw. sa labas ng metal, iniiwan ito.

Ipagpalagay na ang isang photon ng kilalang wavelength ay tumama sa ibabaw ng isang metal kung saan ang work function (ng isang electron mula sa metal) ay kilala. Sa kasong ito, ang kinetic energy ng isang electron na ibinubuga mula sa isang ibinigay na metal ay madaling mahanap, pati na rin ang bilis nito.

Kung ang enerhiya ng photon ay hindi sapat para sa electron upang maisagawa ang work function, kung gayon ang electron ay hindi maaaring umalis sa ibabaw ng ibinigay na metal at ang photoelectron ay hindi nabuo.

Noong 1924, isang French physicist Louis de Broglie maglagay ng isang pambihirang ideya ayon sa kung saan hindi lamang mga photon ng liwanag ngunit ang mga electron mismo ay maaaring kumilos tulad ng mga alon. Ang siyentipiko ay nakakuha pa ng isang formula para sa hypothetical wavelength ng electron. Ang mga alon na ito ay tinawag na "de Broglie waves".

Ang hypothesis ni De Broglie ay nakumpirma sa kalaunan. Isang eksperimento sa pisika sa electron diffraction, na isinagawa noong 1927 ng mga Amerikanong siyentipiko na sina Clinton Davison at Lester Germer, sa wakas ay itinuro ang wave nature ng electron.

Kapag ang isang sinag ng mga electron ay itinuro sa pamamagitan ng isang espesyal na istraktura ng atom, tila ang detektor ay dapat na naitala ang larawan bilang mga particle na lumilipad nang sunud-sunod, na lohikal na inaasahan kung ang mga electron ay mga particle.

Ngunit sa pagsasanay mayroon kaming isang larawan na katangian ng pagkakaiba-iba ng alon. Bukod dito, ang mga haba ng mga alon na ito ay ganap na naaayon sa konsepto na iminungkahi ni de Broglie.

Sa huli, ginawang posible ng ideya ni de Broglie na ipaliwanag ang prinsipyo ng atomic model ni Bohr, at nang maglaon ay naging posible para kay Erwin Schrödinger na i-generalize ang mga ideyang ito at ilatag ang mga pundasyon ng modernong quantum physics.