Τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν κύματα

Οι φυσικοί γνώριζαν από καιρό ότι το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Μέχρι σήμερα, κανείς δεν αμφιβάλλει για αυτή τη θέση, αφού το φως δείχνει ξεκάθαρα όλα τα σημάδια της κυματικής συμπεριφοράς: τα φωτεινά κύματα μπορούν να επικαλύπτονται μεταξύ τους, δημιουργώντας ένα μοτίβο παρεμβολής, μπορούν επίσης να διαχωρίζονται, λυγίζοντας γύρω από εμπόδια κατά τη διάρκεια του χρόνου περίθλασης.

Όταν βλέπουμε ένα πουλί που περπατάει σαν πάπια, κολυμπάει σαν πάπια και κουλά σαν πάπια, λέμε αυτό το πουλί πάπια. Άρα το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμαμε βάση τα αντικειμενικά παρατηρούμενα σημάδια της συμπεριφοράς ενός τέτοιου κύματος στο φως.

Ωστόσο, στα τέλη του 19ου και 20ου αιώνα, οι φυσικοί έπρεπε να αρχίσουν να μιλούν για τον «δυϊσμό σωματιδίων-κύματος» του φωτός. Αποδεικνύεται ότι η γνώση ότι το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα δεν είναι το μόνο που γνωρίζει η επιστήμη για το φως. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα πολύ ενδιαφέρον χαρακτηριστικό στο φως.

Αποδεικνύεται ότι κατά κάποιο τρόπο το φως εκδηλώνεται ΩΣ τη συμπεριφορά ενός ρεύματος σωματιδίων κατά κάποιο τρόπο.Διαπιστώθηκε ότι η ενέργεια που μεταφέρεται από το φως, αφού μετρηθεί για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα από έναν ειδικό ανιχνευτή, αποδεικνύεται ότι αποτελείται ούτως ή άλλως από μεμονωμένα (ολόκληρα) κομμάτια.

Επομένως, έγινε αλήθεια ότι η ενέργεια του φωτός είναι διακριτή, επειδή αποτελείται, όπως λέγαμε, από μεμονωμένα σωματίδια - «κβάντα», δηλαδή από τα μικρότερα ολόκληρα μέρη ενέργειας. Ένα τέτοιο σωματίδιο φωτός, που φέρει μια μονάδα (ή κβάντο) ενέργειας, έφτασε να ονομάζεται φωτόνιο.

Η ενέργεια ενός φωτονίου βρίσκεται με τον ακόλουθο τύπο:

E — ενέργεια φωτονίων, h — σταθερά Planck, v — συχνότητα.

Ο Γερμανός φυσικός Max Planck καθιέρωσε πρώτος πειραματικά το γεγονός της διακριτικότητας του φωτεινού κύματος και υπολόγισε την τιμή της σταθεράς h, η οποία εμφανίζεται στον τύπο για την εύρεση της ενέργειας μεμονωμένων φωτονίων. Αυτή η τιμή αποδείχθηκε: 6.626 * 10-34 J * s. Ο Planck δημοσίευσε τα αποτελέσματα της δουλειάς του στα τέλη του 1900.

Σκεφτείτε, για παράδειγμα, μια μωβ ακτίνα. Η συχνότητα αυτού του φωτός (f ή v) είναι 7,5 * 1014 Hz Η σταθερά του Planck (h) είναι 6,626 * 10-34 J * s. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια του φωτονίου, (Ε), χαρακτηριστικό του ιώδους χρώματος, είναι 5 * 10-19 J. Αυτό είναι τόσο μικρό μέρος ενέργειας που είναι πολύ δύσκολο να συλληφθεί.

Φανταστείτε ένα ορεινό ρεύμα — ρέει ως μία μονάδα και είναι αδύνατο να δει κανείς με γυμνό μάτι ότι το ρεύμα αποτελείται στην πραγματικότητα από μεμονωμένα μόρια νερού. Σήμερα, ωστόσο, γνωρίζουμε ότι το μακροσκοπικό αντικείμενο - η ροή - είναι στην πραγματικότητα διακριτό, δηλαδή αποτελείται από μεμονωμένα μόρια.

Αυτό σημαίνει ότι αν μπορούμε να τοποθετήσουμε έναν μετρητή μορίων δίπλα στο ρεύμα για να μετρήσει τα μόρια του νερού που περνούν καθώς ρέει το ρεύμα, ο ανιχνευτής θα μετράει πάντα μόνο ακέραιους αριθμούς μορίων νερού, όχι μερικούς.

Ομοίως, το γράφημα της συνολικής ενέργειας του φωτονίου Ε, που υπολογίζεται τη χρονική στιγμή t — θα αποδεικνύεται πάντα ότι δεν είναι γραμμικό (κίτρινο σχήμα), αλλά σταδιακά (πράσινο σχήμα):

Έτσι, τα φωτόνια κινούνται, μεταφέρουν ενέργεια, άρα έχουν ορμή. Αλλά ένα φωτόνιο δεν έχει μάζα. Πώς λοιπόν μπορείτε να βρείτε ορμή;

Στην πραγματικότητα, για αντικείμενα που κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, ο κλασικός τύπος p = mv είναι απλά ανεφάρμοστος. Για να καταλάβουμε πώς να βρούμε ορμή σε αυτή την ασυνήθιστη περίπτωση, ας στραφούμε στην ειδική σχετικότητα:

Το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εξήγησε από αυτή την άποψη φωτοηλεκτρικό φαινόμενο… Γνωρίζουμε ότι η μεταλλική πλάκα έχει ηλεκτρόνια μέσα της, τα οποία στο εσωτερικό της έλκονται από τους θετικά φορτισμένους πυρήνες των ατόμων και επομένως διατηρούνται στο μέταλλο. Αλλά αν λάμπετε μια τέτοια πλάκα με φως ΣΥΓΚΕΚΡΙΜΕΝΗΣ συχνότητας, τότε μπορείτε να χτυπήσετε τα ηλεκτρόνια έξω από την πλάκα.

Είναι σαν να συμπεριφέρεται το φως σαν ένα ρεύμα σωματιδίων με ορμή.Και, παρόλο που ένα φωτόνιο δεν έχει μάζα, εξακολουθεί να αλληλεπιδρά κατά κάποιο τρόπο με ένα ηλεκτρόνιο σε ένα μέταλλο, και υπό ορισμένες συνθήκες ένα φωτόνιο μπορεί να εξουδετερώσει ένα ηλεκτρόνιο.

Έτσι, εάν ένα φωτόνιο που προσπίπτει στην πλάκα έχει αρκετή ενέργεια, τότε το ηλεκτρόνιο θα χτυπηθεί έξω από το μέταλλο και θα μετακινηθεί έξω από την πλάκα με ταχύτητα v. Ένα τέτοιο χτυπημένο ηλεκτρόνιο ονομάζεται φωτοηλεκτρόνιο.

Εφόσον το ηλεκτρόνιο που χτυπήθηκε έχει μια γνωστή μάζα m, θα έχει μια ορισμένη κινητική ενέργεια mv.

Η ενέργεια του φωτονίου, όταν επηρέασε το μέταλλο, μετατρέπεται στην ενέργεια της εξόδου του ηλεκτρονίου από το μέταλλο (συνάρτηση εργασίας) και στην κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου, στην οποία το ηλεκτρόνιο που έχει χτυπηθεί αρχίζει να κινείται έξω από το μέταλλο, αφήνοντάς το.

Ας υποθέσουμε ότι ένα φωτόνιο γνωστού μήκους κύματος προσκρούει στην επιφάνεια ενός μετάλλου για το οποίο είναι γνωστή η συνάρτηση εργασίας (ενός ηλεκτρονίου από το μέταλλο). Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί εύκολα να βρεθεί η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που εκπέμπεται από ένα δεδομένο μέταλλο, καθώς και η ταχύτητά του.

Εάν η ενέργεια του φωτονίου δεν είναι επαρκής για να εκτελέσει το ηλεκτρόνιο τη λειτουργία εργασίας, τότε το ηλεκτρόνιο απλά δεν μπορεί να φύγει από την επιφάνεια του δεδομένου μετάλλου και το φωτοηλεκτρόνιο δεν σχηματίζεται.

Το 1924, Γάλλος φυσικός Louis de Broglie πρότεινε μια πρωτοποριακή ιδέα σύμφωνα με την οποία όχι μόνο τα φωτόνια του φωτός αλλά και τα ίδια τα ηλεκτρόνια μπορούν να συμπεριφέρονται σαν κύματα. Ο επιστήμονας εξήγαγε ακόμη και έναν τύπο για το υποθετικό μήκος κύματος του ηλεκτρονίου. Αυτά τα κύματα ονομάστηκαν στη συνέχεια «κύματα de Broglie».

Η υπόθεση του De Broglie επιβεβαιώθηκε αργότερα. Ένα πείραμα φυσικής για την περίθλαση ηλεκτρονίων, που διεξήχθη το 1927 από τους Αμερικανούς επιστήμονες Κλίντον Ντέιβισον και Λέστερ Γκέρμερ, επισήμανε τελικά την κυματική φύση του ηλεκτρονίου.

Όταν μια δέσμη ηλεκτρονίων κατευθύνθηκε μέσω μιας ειδικής ατομικής δομής, φαίνεται ότι ο ανιχνευτής θα έπρεπε να είχε καταγράψει την εικόνα ως σωματίδια που πετούν το ένα μετά το άλλο, κάτι που λογικά θα ήταν αναμενόμενο αν τα ηλεκτρόνια ήταν σωματίδια.

Στην πράξη όμως έχουμε μια εικόνα χαρακτηριστική της περίθλασης κυμάτων. Επιπλέον, τα μήκη αυτών των κυμάτων είναι απολύτως συνεπή με την ιδέα που προτείνει ο de Broglie.

Τελικά, η ιδέα του de Broglie κατέστησε δυνατή την εξήγηση της αρχής του ατομικού μοντέλου του Bohr και αργότερα έδωσε τη δυνατότητα στον Erwin Schrödinger να γενικεύσει αυτές τις ιδέες και να θέσει τα θεμέλια της σύγχρονης κβαντικής φυσικής.