Elektron fal±

ELEKTRON FAL¡

Na pocz±tku XX wieku Niels Bohr stworzy³ teoriê, która opisywa³a zachowanie siê elektronu kr±¿±cego wokó³ j±dra atomowego. Nie mówi³a jednak dlaczego elektron zachowuje siê tak, a nie inaczej. Nie t³umaczy³a dlaczego mo¿e on zajmowaæ tylko niektóre orbity - orbity stacjonarne. Wielu naukowców pracowa³o nad wyt³umaczeniem tego faktu.

W 1925 roku Louis Victor de Broglie (1892-1987) zasugerowa³, ¿e z poruszaj±cym siê elektronem zwi±zana jest fala. D³ugo¶æ tej fali jak twierdzi³ jest równa:

(1)

gdzie h - sta³a Plancka, p - pêd elektronu. Dozwolone orbity elektronu to te, których obwód jest równy d³ugo¶ci fali cz±stki.

Fala de Broglie'a odpowiadaj±ca jako¶ciowo jakiemu¶ obiektowi o skoñczonych rozmiarach

Zatrzymajmy siê przez chwilê nad teori± de Broglie'a. Wiadomo by³o ju¿, ¿e dla fotonów pêd powi±zany jest z d³ugo¶ci± fali równaniem (1). Naukowiec stwierdzi³, ¿e ten zwi±zek jest zachowany tak¿e dla cz±steczek materii. Mo¿emy teraz podstawiæ pod pêd wyra¿enie m*v, gdzie m - masa cz±steczki, v - prêdko¶æ cz±steczki. Mamy wiêc wyra¿enie na d³ugo¶æ fali:

(2)

    Z równania tego wynika to, ¿e cz±steczka o mniejszej prêdko¶ci i mniejszej masie ma wiêksz± d³ugo¶æ fali. Popatrzmy na dwa przyk³ady:
    Wyobra¼my sobie basebolow± pi³kê, która ma masê 0,14 kg, rzucon± przez miotacza z prêdko¶ci± 40 m/s. Po podstawieniu tych danych do wzoru d³ugo¶æ fali wynosi: 1,2*10^-34 m. Jest to bardzo ma³o, tak ma³o, ¿e obserwacja tego zjawiska nawet przy wykorzystaniu najnowszych technik jest nie mo¿liwa.
    Z drugiej strony maj±c elektron poruszaj±cy siê z prêdko¶ci± 40 m/s ma d³ugo¶æ fali równ± 1,8*10^-5 m. Fale takie mo¿na obserwowaæ.
    Nied³ugo po wskazaniu na to, i¿ elektron mo¿e byæ zwi±zany z fal± Heisenberg i Schrodinger opisali te fale w jêzyku matematyki. Równania te bardzo dobrze t³umacz± obserwowane fakty do¶wiadczalne. Do tej pory naukowcy wyobra¿ali sobie elektron jako bardzo ma³± kulkê, o okre¶lonym promieniu. Uczeni lat dwudziestych naszego wieku podali opis elektronu jako fali i stworzyli jego korpuskularno-falowy obraz. Tak wiêc jak siê okaza³o elektron jest zarówno ma³± kulk± jak i fal±. Nie zachowuje siê on jak przedmioty znane z makro¶wiata, a prawa stosowane w nim nie odnosz± siê do elektronów.
    Elektron zgodnie z nowo stworzon± teori± powinien zachowywaæ siê jak fala. Mo¿na by by³o obserwowaæ wiêc, interferencjê i dyfrakcjê elektronów.
    W roku 1925 Walther Erlasser zwróci³ uwagê na to, i¿ elektrony, je¶liby wi±za³a siê z nimi fala powinny ulegaæ dyfrakcji w czasie odbicia od kryszta³u - zupe³nie tak jak promienie X.
    W 1925 roku Clinton Joseph Davisson (1881-1958) kontynuowa³ badania nad rozpraszaniem elektronów na niklu. W trakcie pracy zdarzy³ siê wypadek - eksplodowa³a butla z ciek³ym powietrzem. Gor±cy nikiel, który nagle znalaz³ siê w powietrzu silnie siê utleni³. Po takiej przemianie zewnêtrzna czê¶æ p³yty sk³ada³a siê ze znacznie wiêkszych kryszta³ów ni¿ wcze¶niej. Okaza³o siê, ¿e rozprasza ona elektrony w sposób zupe³nie inny ni¿ przedtem.
Wydarzenie to zapocz±tkowa³o seriê badañ , Davissona nad elektronami zderzaj±cymi siê z monokryszta³ami. Naukowiec zainteresowa³ siê prac± Schrodingera i na jej podstawie chcia³ wyt³umaczyæ obserwowane zjawisko. Po licznych obliczeniach i do¶wiadczeniach na pocz±tku 1927 roku zaobserwowa³ siln± wi±zkê, która z pewno¶ci± powstawa³a w wyniku dyfrakcji elektronów.
    Równolegle z badaniami Davissona do¶wiadczenia nad rozpraszaniem elektronów prowadzi³ George Paget Thomson (syn J.J. Thomsona). On równie¿ otrzyma³ dyfrakcjê elektronów.
    W 1937 roku obaj naukowcy otrzymali nagrodê Nobla.
    Pod koniec lat dwudziestych naszego stulecia udowodniono do¶wiadczalnie wysuniêt± zaledwie kilka lat wcze¶niej teoriê falowo-korpuskularnej struktury elektronu. Naukowcy zdali sobie sprawê, ¿e jeden z podstawowych sk³adników atomu nie jest tak prosty, jak zdawa³o im siê wcze¶niej. Elektron ³±czy zarówno cechy cz±stki jak i fali.
    Te cechy elektronów zosta³y wykorzystane w ró¿nych dzia³ach nauki - pos³u¿y³y miêdzy innymi do stworzenia mikroskopu elektronowego.