Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Справочник электрика / Полезная информация / Электроны ведут себя как волны


 

Электроны ведут себя как волны



Физикам давно известно, что свет представляет собой электромагнитную волну. И данное положение по сей день ни у кого не вызывает сомнений, поскольку свет отчетливо демонстрирует все признаки волнового поведения: волны света могут накладываться друг на друга, порождая интерференционную картину, они также способны разделяться, огибая преграды при дифракции.

Когда мы видим птицу, которая ходит как утка, плавает как утка и крякает как утка, мы называем эту птицу уткой. Таким образом свет — это электромагнитная волна, исходя из объективно наблюдаемых признаков поведения такой волны у света.

Свет — это электромагнитная волна

Однако на рубеже 19-20 веков физикам пришлось заговорить о «корпускулярно-волновом дуализме» света. Выяснилось, что знание о том, что свет является электромагнитной волной - это еще не все, что о свете известно науке. Ученые обнаружили у света одну весьма интересную особенность.

Оказалось, что кое - в чем свет проявляет себя ПОХОЖИМ на поведение потока частиц образом. Было установлено, что энергия переносимая светом, будучи подсчитана в течение какого-то промежутка времени специальным детектором, оказывается составлена как—бы из отдельных (цельных) кусочков.

Поэтому стало справедливым утверждение, что энергия света дискретна, ведь она сложена словно из отдельных частиц - «квантов», то есть из минимальных целых порций энергии. Такую частицу света, переносящую единичную порцию (или квант) энергии, и стали называть фотоном.

Энергия одного фотона находится по следующей формуле:

Энергия фотона

E – энергия фотона, h - постоянная Планка, v – частота.

Немецкий физик Макс Планк первым экспериментально установил факт дискретности световой волны и вычислил значение константы h, фигурирующей в формуле для нахождения энергии отдельных фотонов. Это значение получилось таким: 6,626*10-34 Дж*с. Планк опубликовал результаты своих работ в конце 1900 года.

Длины воллн и чатоты различных цветов

Рассмотрим, например, луч фиолетового цвета. Частота такого света (f или v) равна 7,5*1014 Гц. Постоянная Планка (h) равна 6,626*10-34 Дж*с. Значит энергия фотона, (E) характерная для фиолетового цвета, равна 5*10-19 Дж. Это настолько крохотная порция энергии, что ее очень сложно уловить.

Представьте себе горный ручей — он течет словно единое целое, и невооруженным глазом невозможно заметить, что на самом деле ручей состоит из отдельных молекул воды. Однако сегодня мы знаем, что макроскопический объект — ручей — в реальности дискретен, то есть состоит из отдельных молекул.

Это значит, что если бы мы могли поставить рядом с ручьем счетчик молекул, который бы считал молекулы воды, проходящие мимо него пока течет ручей, детектор бы всегда насчитывал только целое количество молекул воды, но никак не дробное.

Подобным образом и график суммарной энергии фотонов Е, подсчитываемой с течением времени t — всегда получится не линейным (желтый рисунок), а ступенчатым (зеленый рисунок):

График суммарной энергии фотонов

Итак, фотоны движутся, они переносят энергию, следовательно обладают импульсом. Но у фотона нет массы. Как же в этом случае найти импульс?

На самом деле, для объектов движущихся со скоростью близкой к скорости света, классическая формула p=mv попросту неприменима. Чтобы понять, как найти импульс в этом необычном случае, давайте обратимся к специальной теории относительности:

Специальная теория относительности

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил с этой точки зрения явление фотоэффекта. Мы знаем, что металлическая пластина имеет в себе электроны, которые внутри нее притягиваются положительно заряженными ядрами атомов, и поэтому удерживаются в металле. Но если осветить такую пластину светом ОПРЕДЕЛЕННОЙ частоты, то можно выбить из пластины электроны.

Это похоже на то, как если бы свет вел себя подобно потоку частиц, обладающих импульсом. И хотя у фотона нет массы, тем не менее он как-то взаимодействует с электроном в металле, и при определенных условиях один фотон способен выбить один электрон.

Итак, если падающий на пластину фотон обладает достаточной энергией, то электрон будет выбит из металла и станет двигаться за пределами пластины со скоростью v. Такой выбитый электрон называют фотоэлектроном.

Поскольку выбитый электрон обладает известной массой m, он будет обладать определенной кинетической энергией mv.

Энергия фотона, когда он подействовал на металл, преобразовалась в энергию выхода электрона из металла (работа выхода) и в кинетическую энергию электрона, обладая которой выбитый электрон стал двигаться за пределами металла, покинув его.

Энергия фотона

Предположим, фотон с известной длиной волны попадает на поверхность металла, работа выхода (электрона из металла) для которого известна. В этом случае можно легко найти кинетическую энергию вылетающего из данного металла электрона, а также его скорость.

Если же энергии фотона будет не достаточно для совершения электроном работы выхода, то электрон попросту не сможет покинуть поверхность данного металла, фотоэлектрон не образуется.

Электрон ведет себя как волна

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул прорывную идею, согласно которой не только фотоны света, но и сами электроны могут вести себя как волны. Ученый даже вывел формулу для гипотетической длины волны электрона. Впоследствии эти волны стали называть «волнами де Бройля».

Эксперимент по дифракции электронов

Гипотеза де Бройля позже подтвердилась. Физический эксперимент по дифракции электронов, проведенный в 1927 году американскими учёными Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером, окончательно указал на волновую природу электрона.

Когда пучок электронов направили через специальную атомарную структуру, детектор, казалось бы, должен был бы зафиксировать картину как от летящих друг за другом частиц, чего следовало бы логически ожидать в случае если бы электроны оказались частицами.

Но практически получилась картина, свойственная именно дифракции волн. Причем длины этих волн полностью соответствовали концепции предложенной де Бройлем.

В конечном счете идея де Бройля позволила объяснить принцип атомной модели Бора, а позже — дала возможность Эрвину Шредингеру обобщить эти идеи и заложить фундамент современной квантовой физики.