Електроните се държат като вълни
Физиците отдавна знаят, че светлината е електромагнитна вълна. И до днес никой не се съмнява в тази позиция, тъй като светлината ясно демонстрира всички признаци на поведение на вълната: светлинните вълни могат да се припокриват една друга, генерирайки интерференционен модел, те също са в състояние да се разделят, огъвайки се около препятствията по време на дифракция.
Когато видим птица, която ходи като патица, плува като патица и кряка като патица, наричаме тази птица патица. Значи светлината е електромагнитна вълнавъз основа на обективно наблюдавани признаци на поведението на такава вълна в светлина.
Въпреки това, в края на 19-ти и 20-ти век, физиците трябваше да започнат да говорят за «дуализма на частиците-вълни» на светлината. Оказа се, че знанието, че светлината е електромагнитна вълна, не е всичко, което науката знае за светлината. Учените са открили една много интересна особеност в светлината.
Оказа се, че по някакъв начин светлината се проявява КАТО поведението на поток от частици по някакъв начин. Установено е, че енергията, пренасяна от светлината, след като се преброи през определен период от време от специален детектор, се оказва, че е съставена така или иначе от отделни (цели) парчета.
Следователно стана вярно, че енергията на светлината е дискретна, защото е съставена сякаш от отделни частици — „кванти“, тоест от минималните цели порции енергия. Такава частица светлина, носеща единична част (или квант) енергия, и започва да се нарича фотон.
Енергията на един фотон се намира по следната формула:
E — енергия на фотона, h — константа на Планк, v — честота.
Германският физик Макс Планк първи експериментално установява факта на дискретност на светлинната вълна и изчислява стойността на постоянната h, която се появява във формулата за намиране на енергията на отделните фотони. Тази стойност се оказа така: 6.626 * 10-34 J * s. Планк публикува резултатите от работата си в края на 1900 г.
Помислете например за лилав лъч. Честотата на такава светлина (f или v) е 7,5 * 1014 Hz Константата на Планк (h) е 6.626 * 10-34 J * s. Това означава, че енергията на фотона, (Е), характерна за виолетовия цвят, е 5 * 10-19 Й. Това е толкова малка порция енергия, че е много трудно да се улови.
Представете си планински поток — той тече като едно цяло и е невъзможно да се забележи с просто око, че всъщност потокът се състои от отделни молекули вода. Днес обаче знаем, че макроскопичният обект — поток — в действителност е дискретен, тоест се състои от отделни молекули.
Това означава, че ако можем да поставим брояч на молекули до потока, който да брои водните молекули, преминаващи покрай него, докато потокът тече, детекторът винаги ще брои само цял брой водни молекули, но не и частични.
По същия начин графиката на общата енергия на фотона E, изчислена във времето t — винаги ще се окаже не линейна (жълта фигура), а поетапно (зелена фигура):
И така, фотоните се движат, те пренасят енергия, следователно имат инерция. Но фотонът няма маса. Как тогава можете да намерите инерция?
Всъщност за обекти, движещи се със скорост, близка до скоростта на светлината, класическата формула p = mv е просто неприложима. За да разберем как да намерим инерция в този необичаен случай, нека се обърнем към специална относителност:
През 1905 г. Алберт Айнщайн обяснява от тази гледна точка фотоелектричен ефект… Знаем, че металната плоча има в себе си електрони, които вътре в нея се привличат от положително заредените ядра на атомите и следователно се задържат в метала. Но ако осветите такава плоча със светлина с ОПРЕДЕЛЕНА честота, тогава можете да избиете електрони от плочата.
Сякаш светлината се държи като поток от частици с инерция.И въпреки че фотонът няма маса, той все пак по някакъв начин взаимодейства с електрон в метал и при определени условия един фотон е в състояние да избие един електрон.
Така че, ако фотонът, падащ върху плочата, има достатъчно енергия, тогава електронът ще бъде избит от метала и ще се движи извън плочата със скорост v. Такъв нокаутиран електрон се нарича фотоелектрон.
Тъй като нокаутираният електрон има известна маса m, той ще има определена кинетична енергия mv.
Енергията на фотона, когато е действал върху метала, се преобразува в енергията на излизането на електрона от метала (функция на работа) и в кинетичната енергия на електрона, притежавайки която нокаутираният електрон започва да се движи извън метал, оставяйки го.
Да предположим, че фотон с известна дължина на вълната удря повърхността на метал, за който е известна работната функция (на електрон от метала). В този случай лесно може да се намери кинетичната енергия на електрон, излъчен от даден метал, както и неговата скорост.
Ако енергията на фотона не е достатъчна, за да може електронът да изпълнява работната функция, тогава електронът просто не може да напусне повърхността на дадения метал и фотоелектронът не се образува.
През 1924 г. френски физик Луи де Бройл изтъкна пробивна идея, според която не само фотоните на светлината, но и самите електрони могат да се държат като вълни. Ученият дори извежда формула за хипотетичната дължина на вълната на електрона. Впоследствие тези вълни бяха наречени „вълни на де Бройл“.
По -късно хипотезата на Де Бройл беше потвърдена. Физически експеримент върху електронната дифракция, проведен през 1927 г. от американските учени Клинтън Дейвисън и Лестър Гермер, най -накрая посочи вълновата природа на електрона.
Когато лъч от електрони е насочен през специална атомна структура, изглежда, детекторът е трябвало да запише картината като от частици, летящи една след друга, което логично би се очаквало, ако електроните са частици.
Но на практика имаме картина, характерна за дифракцията на вълните. Освен това дължините на тези вълни напълно съответстват на концепцията, предложена от де Броли.
В крайна сметка идеята на де Бройл направи възможно обясняването на принципа на атомния модел на Бор, а по -късно — направи възможно Ервин Шрьодингер да обобщи тези идеи и да постави основите на съвременната квантова физика.