อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น

นักฟิสิกส์ทราบมานานแล้วว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จนถึงทุกวันนี้ ไม่มีใครสงสัยตำแหน่งนี้ เนื่องจากแสงแสดงให้เห็นสัญญาณทั้งหมดของพฤติกรรมของคลื่นอย่างชัดเจน: คลื่นแสงสามารถทับซ้อนกัน สร้างรูปแบบการแทรกสอด พวกมันยังสามารถแยกออก ดัดสิ่งกีดขวางตามเวลาการเลี้ยวเบน

เมื่อเราเห็นนกที่เดินเหมือนเป็ด ว่ายน้ำเหมือนเป็ด และร้องเหมือนเป็ด เราเรียกนกตัวนั้นว่าเป็ด ดังนั้นแสงคือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้นอยู่กับสัญญาณที่สังเกตได้อย่างเป็นกลางของพฤติกรรมของคลื่นดังกล่าวในแสง

อย่างไรก็ตาม ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และ 20 นักฟิสิกส์เริ่มพูดถึง "ความเป็นคู่ของคลื่นอนุภาค" ของแสง กลายเป็นว่าความรู้ที่ว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ใช่ทั้งหมดที่วิทยาศาสตร์รู้เกี่ยวกับแสง นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบคุณสมบัติที่น่าสนใจของแสง

ปรากฎว่าแสงแสดงพฤติกรรมของกระแสอนุภาคด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งพบว่าพลังงานที่นำพาโดยแสงหลังจากถูกนับโดยเครื่องตรวจจับพิเศษในช่วงเวลาหนึ่ง กลับกลายเป็นว่าประกอบขึ้นจากแต่ละชิ้น (ทั้งชิ้น)

ดังนั้นจึงเป็นความจริงที่พลังงานของแสงไม่ต่อเนื่องกัน เพราะมันประกอบขึ้นจากอนุภาคเดี่ยว - "ควอนตั้ม" ซึ่งก็คือพลังงานส่วนที่เล็กที่สุดทั้งหมด อนุภาคของแสงดังกล่าวซึ่งถือหน่วยพลังงาน (หรือควอนตัม) เรียกว่าโฟตอน

พลังงานของโฟตอนหนึ่งหาได้จากสูตรต่อไปนี้:

E — พลังงานโฟตอน, h — ค่าคงที่ของพลังค์, v — ความถี่

แมกซ์ พลังค์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ทดลองสร้างความจริงของความไม่ต่อเนื่องของคลื่นแสงเป็นครั้งแรก และคำนวณค่าของค่าคงที่ h ซึ่งปรากฏในสูตรสำหรับการค้นหาพลังงานของโฟตอนแต่ละตัว ค่านี้กลายเป็น: 6.626 * 10-34 J * s พลังค์ตีพิมพ์ผลงานของเขาในช่วงปลายทศวรรษ 1900

ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณารังสีสีม่วง ความถี่ของแสงดังกล่าว (f หรือ v) คือ 7.5 * 1014 Hz ค่าคงที่ของพลังค์ (h) คือ 6.626 * 10-34 J * s ซึ่งหมายความว่าพลังงานของโฟตอน (E) ซึ่งเป็นลักษณะของสีม่วงคือ 5 * 10-19 J ซึ่งเป็นพลังงานส่วนน้อยที่จับภาพได้ยากมาก

ลองนึกภาพลำธารบนภูเขา — มันไหลรวมเป็นหนึ่งหน่วย และเป็นไปไม่ได้ที่จะมองด้วยตาเปล่าว่าแท้จริงแล้วลำธารประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุล อย่างไรก็ตาม ทุกวันนี้ เรารู้ว่าวัตถุขนาดใหญ่—การไหล—แท้จริงแล้วแยกจากกัน นั่นคือประกอบด้วยโมเลกุลเดี่ยวๆ

ซึ่งหมายความว่าหากเราสามารถวางเครื่องนับโมเลกุลไว้ข้างลำธารเพื่อนับโมเลกุลของน้ำที่ไหลผ่านขณะที่กระแสน้ำไหล ตัวตรวจจับจะนับเฉพาะจำนวนโมเลกุลของน้ำเท่านั้น ไม่ใช่จำนวนบางส่วน

ในทำนองเดียวกัน กราฟของพลังงานทั้งหมดของโฟตอน E ซึ่งคำนวณที่เวลา t — จะไม่เป็นเส้นตรงเสมอ (รูปสีเหลือง) แต่เป็นแบบขั้นบันได (รูปสีเขียว):

ดังนั้น โฟตอนจึงเคลื่อนที่ พวกมันมีพลังงาน จึงมีโมเมนตัม แต่โฟตอนไม่มีมวล แล้วคุณจะพบโมเมนตัมได้อย่างไร?

อันที่จริง สำหรับวัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง สูตรดั้งเดิม p = mv นั้นใช้ไม่ได้ เพื่อทำความเข้าใจวิธีหาโมเมนตัมในกรณีที่ไม่ปกตินี้ มาดูทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษกัน:

ในปี 1905 Albert Einstein ได้อธิบายจากมุมมองนี้ ผลตาแมว… เรารู้ว่าแผ่นโลหะมีอิเล็กตรอนอยู่ภายใน ซึ่งภายในนั้นจะถูกดึงดูดโดยนิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวก และด้วยเหตุนี้จึงถูกกักเก็บไว้ในโลหะ แต่ถ้าคุณส่องจานดังกล่าวด้วยแสงที่มีความถี่บางอย่าง คุณก็จะสามารถผลักอิเล็กตรอนออกจากจานได้

ราวกับว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนกระแสของอนุภาคที่มีโมเมนตัม และแม้ว่าโฟตอนจะไม่มีมวล แต่ก็ยังคงทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนในโลหะ และภายใต้เงื่อนไขบางประการ โฟตอนสามารถทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปได้

ดังนั้นหากโฟตอนที่ตกกระทบบนจานมีพลังงานเพียงพอ อิเล็กตรอนจะถูกกระแทกออกจากโลหะและเคลื่อนที่ออกจากจานด้วยความเร็ว v อิเล็กตรอนที่หลุดออกไปนี้เรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน

เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ถูกกระแทกออกมามีมวลที่ทราบ m มันจะมีพลังงานจลน์จำนวนหนึ่ง mv

พลังงานของโฟตอนเมื่อทำปฏิกิริยากับโลหะจะถูกแปลงเป็นพลังงานของทางออกของอิเล็กตรอนจากโลหะ (ฟังก์ชันการทำงาน) และเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนซึ่งอิเล็กตรอนที่ถูกกระแทกเริ่มเคลื่อนที่ ออกจากโลหะทิ้งไว้

สมมติว่าโฟตอนที่ทราบความยาวคลื่นกระทบกับพื้นผิวของโลหะซึ่งทราบหน้าที่การทำงาน (ของอิเล็กตรอนจากโลหะ) ในกรณีนี้ สามารถหาพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะที่กำหนดได้อย่างง่ายดาย เช่นเดียวกับความเร็วของมัน

หากพลังงานของโฟตอนไม่เพียงพอให้อิเล็กตรอนทำหน้าที่ทำงาน อิเล็กตรอนก็จะไม่สามารถออกจากพื้นผิวของโลหะที่กำหนดได้ และโฟโตอิเล็กตรอนจะไม่ก่อตัวขึ้น

ในปี 1924 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส หลุยส์ เดอ บรอย นำเสนอแนวคิดที่ก้าวหน้าตามที่ ไม่เพียงแต่โฟตอนของแสงเท่านั้น แต่อิเล็กตรอนเองก็ทำตัวเหมือนคลื่นได้ นักวิทยาศาสตร์ยังได้สูตรสำหรับความยาวคลื่นสมมุติฐานของอิเล็กตรอน คลื่นเหล่านี้ถูกเรียกในภายหลังว่า "คลื่น de Broglie"

สมมติฐานของ De Broglie ได้รับการยืนยันในภายหลัง การทดลองทางฟิสิกส์เกี่ยวกับการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอน ซึ่งดำเนินการในปี 1927 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน คลินตัน เดวิสัน และเลสเตอร์ เจอร์เมอร์ ในที่สุดก็ได้ชี้ให้เห็นถึงธรรมชาติของคลื่นของอิเล็กตรอน

เมื่อลำแสงของอิเล็กตรอนถูกส่งผ่านโครงสร้างอะตอมแบบพิเศษ ดูเหมือนว่าเครื่องตรวจจับควรจะบันทึกภาพเป็นอนุภาคที่บินต่อเนื่องกัน ซึ่งในทางตรรกะแล้วคาดว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค

แต่ในทางปฏิบัติเรามีลักษณะภาพของการเลี้ยวเบนของคลื่น นอกจากนี้ ความยาวของคลื่นเหล่านี้ยังสอดคล้องกับแนวคิดที่เสนอโดย de Broglie อย่างสมบูรณ์

ในท้ายที่สุด แนวคิดของเดอ บร็อกลีทำให้สามารถอธิบายหลักการของแบบจำลองอะตอมของบอร์ได้ และต่อมาเออร์วิน ชเรอดิงเงอร์สามารถสรุปแนวคิดเหล่านี้และวางรากฐานของฟิสิกส์ควอนตัมสมัยใหม่ได้