Electron hoạt động như sóng
Các nhà vật lý từ lâu đã biết rằng ánh sáng là sóng điện từ. Cho đến ngày nay, không ai nghi ngờ quan điểm này, vì ánh sáng thể hiện rõ ràng tất cả các dấu hiệu của hành vi sóng: sóng ánh sáng có thể chồng lên nhau, tạo ra hình ảnh giao thoa, chúng cũng có thể tách ra, uốn cong quanh vật cản theo thời gian nhiễu xạ.
Khi chúng ta nhìn thấy một con chim đi như vịt, bơi như vịt và kêu quạc quạc như vịt, chúng ta gọi con chim đó là vịt. Vậy ánh sáng là sóng điện từdựa trên các dấu hiệu được quan sát khách quan về hành vi của sóng như vậy trong ánh sáng.
Tuy nhiên, vào cuối thế kỷ 19 và 20, các nhà vật lý bắt đầu nói về «thuyết nhị nguyên sóng hạt» của ánh sáng. Hóa ra kiến thức cho rằng ánh sáng là sóng điện từ không phải là tất cả những gì khoa học biết về ánh sáng. Các nhà khoa học đã phát hiện ra một tính năng rất thú vị trong ánh sáng.
Nó chỉ ra rằng bằng cách nào đó, ánh sáng tự biểu hiện NHƯ hành vi của một dòng hạt bằng cách nào đó.Người ta phát hiện ra rằng năng lượng do ánh sáng mang theo, sau khi được đếm trong một khoảng thời gian nhất định bằng một máy dò đặc biệt, hóa ra dù sao cũng được cấu tạo từ các mảnh (toàn bộ) riêng lẻ.
Do đó, đúng là năng lượng của ánh sáng là rời rạc, bởi vì nó được cấu tạo như vốn có của các hạt riêng lẻ - "lượng tử", tức là các phần năng lượng nguyên vẹn nhỏ nhất. Một hạt ánh sáng như vậy, mang một đơn vị (hay lượng tử) năng lượng, được gọi là photon.
Năng lượng của một photon được tìm thấy theo công thức sau:
E — năng lượng photon, h — hằng số Planck, v — tần số.
Nhà vật lý người Đức Max Planck lần đầu tiên thiết lập bằng thực nghiệm tính rời rạc của sóng ánh sáng và tính toán giá trị của hằng số h, xuất hiện trong công thức tìm năng lượng của từng photon riêng lẻ. Giá trị này hóa ra là: 6,626 * 10-34 J * s. Planck công bố kết quả nghiên cứu của mình vào cuối những năm 1900.
Ví dụ, xét một tia màu tím. Tần số của ánh sáng đó (f hoặc v) là 7,5 * 1014 Hz Hằng số Planck (h) là 6,626 * 10-34 J * s. Điều này có nghĩa là năng lượng của photon, (E), đặc trưng cho màu tím, là 5 * 10-19 J. Đây là một phần năng lượng rất nhỏ nên rất khó nắm bắt.
Hãy tưởng tượng một dòng suối trên núi - nó chảy như một đơn vị và không thể nhìn bằng mắt thường rằng dòng suối thực sự được tạo thành từ các phân tử nước riêng lẻ. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta biết rằng đối tượng vĩ mô—dòng chảy—thực ra là rời rạc, nghĩa là nó bao gồm các phân tử riêng lẻ.
Điều này có nghĩa là nếu chúng ta có thể đặt một máy đếm phân tử bên cạnh dòng nước để đếm các phân tử nước đi qua khi dòng nước chảy, thì máy dò sẽ luôn chỉ đếm toàn bộ số lượng phân tử nước chứ không đếm từng phần.
Tương tự, đồ thị tổng năng lượng của photon E, được tính tại thời điểm t — sẽ luôn không tuyến tính (hình màu vàng), mà theo từng bước (hình màu xanh lục):
Vì vậy, các photon di chuyển, chúng mang năng lượng, do đó chúng có động lượng. Nhưng một photon không có khối lượng. Làm thế nào sau đó bạn có thể tìm thấy động lượng?
Trên thực tế, đối với các vật thể chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, công thức cổ điển p = mv đơn giản là không thể áp dụng được. Để hiểu cách tìm động lượng trong trường hợp bất thường này, chúng ta hãy chuyển sang thuyết tương đối đặc biệt:
Năm 1905, Albert Einstein giải thích từ quan điểm này hiệu ứng quang điện… Chúng ta biết rằng tấm kim loại có các electron bên trong nó, bên trong nó bị hạt nhân tích điện dương của các nguyên tử hút và do đó bị giữ lại trong kim loại. Nhưng nếu bạn chiếu một tấm như vậy bằng ánh sáng có tần số NHẤT ĐỊNH, thì bạn có thể đánh bật các electron ra khỏi tấm.
Như thể ánh sáng hành xử như một dòng hạt có động lượng Và mặc dù một photon không có khối lượng, nhưng bằng cách nào đó nó vẫn tương tác với một electron trong kim loại, và trong những điều kiện nhất định, một photon có thể đánh bật một electron.
Vì vậy, nếu một photon tới tấm có năng lượng đủ lớn, thì electron sẽ bị bật ra khỏi kim loại và chuyển động ra khỏi tấm với vận tốc v. Electron bị bật ra như vậy được gọi là quang điện tử.
Vì electron bị đánh bật có khối lượng m đã biết nên nó sẽ có động năng mv nhất định.
Năng lượng của photon khi nó tác dụng lên kim loại được chuyển thành năng lượng của sự thoát ra của electron khỏi kim loại (cơ năng làm việc) và thành động năng của electron, sở hữu mà electron bị đánh bật bắt đầu chuyển động ra khỏi kim loại, để lại nó.
Giả sử một photon có bước sóng đã biết đập vào bề mặt của một kim loại mà công của nó (của một electron ra khỏi kim loại) đã biết. Trong trường hợp này, có thể dễ dàng tìm thấy động năng của một electron phát ra từ một kim loại nhất định, cũng như vận tốc của nó.
Nếu năng lượng của photon không đủ để electron thực hiện chức năng công việc, thì electron đơn giản là không thể rời khỏi bề mặt của kim loại đã cho và quang điện tử không được hình thành.
Năm 1924, một nhà vật lý người Pháp Louis de Broglie đưa ra một ý tưởng đột phá theo đó không chỉ các photon ánh sáng mà bản thân các electron cũng có thể hoạt động như sóng. Nhà khoa học thậm chí còn đưa ra một công thức cho bước sóng giả định của electron. Những sóng này sau đó được gọi là "sóng de Broglie".
Giả thuyết của De Broglie sau đó đã được xác nhận. Một thí nghiệm vật lý về nhiễu xạ điện tử do hai nhà khoa học Mỹ Clinton Davison và Lester Germer tiến hành năm 1927 cuối cùng đã chỉ ra bản chất sóng của điện tử.
Khi một chùm electron được hướng qua một cấu trúc nguyên tử đặc biệt, có vẻ như máy dò đã ghi lại hình ảnh khi các hạt bay lần lượt, điều này sẽ được mong đợi một cách hợp lý nếu các electron là hạt.
Nhưng trong thực tế, chúng ta có một bức tranh đặc trưng về nhiễu xạ sóng. Hơn nữa, độ dài của những sóng này hoàn toàn phù hợp với khái niệm do de Broglie đề xuất.
Cuối cùng, ý tưởng của de Broglie đã giúp giải thích nguyên lý của mô hình nguyên tử của Bohr, và sau đó, nó giúp Erwin Schrödinger có thể khái quát hóa những ý tưởng này và đặt nền móng cho vật lý lượng tử hiện đại.