Na początku XX wieku Niels Bohr stworzył teorię, która opisywała zachowanie się elektronu krążącego wokół jądra atomowego. Nie mówiła jednak dlaczego elektron zachowuje się tak, a nie inaczej. Nie tłumaczyła dlaczego może on zajmować tylko niektóre orbity - orbity stacjonarne. Wielu naukowców pracowało nad wytłumaczeniem tego faktu.
|
W 1925 roku Louis Victor de Broglie (1892-1987) zasugerował, że z poruszającym się
elektronem związana jest fala. Długość tej fali jak twierdził jest równa:
(1)
|
Zatrzymajmy się przez chwilę nad teorią de Broglie'a. Wiadomo było już, że dla fotonów pęd powiązany jest z długością fali równaniem (1). Naukowiec stwierdził, że ten związek jest zachowany także dla cząsteczek materii. Możemy teraz podstawić pod pęd wyrażenie m*v, gdzie m - masa cząsteczki, v - prędkość cząsteczki. Mamy więc wyrażenie na długość fali:
(2)
Z równania tego wynika to, że cząsteczka o mniejszej prędkości i mniejszej masie ma większą długość fali. Popatrzmy na dwa przykłady:
Wyobraźmy sobie basebolową piłkę, która ma masę 0,14 kg, rzuconą przez miotacza z prędkością 40 m/s. Po podstawieniu tych danych do wzoru długość fali wynosi: 1,2*10-34 m. Jest to bardzo mało, tak mało, że obserwacja tego zjawiska nawet przy wykorzystaniu najnowszych technik jest nie możliwa.
Z drugiej strony mając elektron poruszający się z prędkością 40 m/s ma długość fali równą 1,8*10-5 m. Fale takie można obserwować.
Niedługo po wskazaniu na to, iż elektron może być związany z falą Heisenberg i Schrodinger opisali te fale w języku matematyki. Równania te bardzo dobrze tłumaczą obserwowane fakty doświadczalne. Do tej pory naukowcy wyobrażali sobie elektron jako bardzo małą kulkę, o określonym promieniu. Uczeni lat dwudziestych naszego wieku podali opis elektronu jako fali i stworzyli jego korpuskularno-falowy obraz. Tak więc jak się okazało elektron jest zarówno małą kulką jak i falą. Nie zachowuje się on jak przedmioty znane z makroświata, a prawa stosowane w nim nie odnoszą się do elektronów.
Elektron zgodnie z nowo stworzoną teorią powinien zachowywać się jak fala. Można by było obserwować więc, interferencję i dyfrakcję elektronów.
W roku 1925 Walther Erlasser zwrócił uwagę na to, iż elektrony, jeśliby wiązała się z nimi fala powinny ulegać dyfrakcji w czasie odbicia od kryształu - zupełnie tak jak promienie X.
W 1925 roku Clinton Joseph Davisson (1881-1958) kontynuował badania nad rozpraszaniem elektronów na niklu. W trakcie pracy zdarzył się wypadek - eksplodowała butla z ciekłym powietrzem. Gorący nikiel, który nagle znalazł się w powietrzu silnie się utlenił. Po takiej przemianie zewnętrzna część płyty składała się ze znacznie większych kryształów niż wcześniej. Okazało się, że rozprasza ona elektrony w sposób zupełnie inny niż przedtem.
Wydarzenie to zapoczątkowało serię badań , Davissona nad elektronami zderzającymi się z monokryształami. Naukowiec zainteresował się pracą Schrodingera i na jej podstawie chciał wytłumaczyć obserwowane zjawisko. Po licznych obliczeniach i doświadczeniach na początku 1927 roku zaobserwował silną wiązkę, która z pewnością powstawała w wyniku dyfrakcji elektronów.
Równolegle z badaniami Davissona doświadczenia nad rozpraszaniem elektronów prowadził George Paget Thomson (syn J.J. Thomsona). On również otrzymał dyfrakcję elektronów.
W 1937 roku obaj naukowcy otrzymali nagrodę Nobla.
Pod koniec lat dwudziestych naszego stulecia udowodniono doświadczalnie wysuniętą zaledwie kilka lat wcześniej teorię falowo-korpuskularnej struktury elektronu. Naukowcy zdali sobie sprawę, że jeden z podstawowych składników atomu nie jest tak prosty, jak zdawało im się wcześniej. Elektron łączy zarówno cechy cząstki jak i fali.
Te cechy elektronów zostały wykorzystane w różnych działach nauki - posłużyły między innymi do stworzenia mikroskopu elektronowego.
