इलेक्ट्रॉन लाटांसारखे वागतात

प्रकाश एक विद्युत चुंबकीय लहरी आहे हे भौतिकशास्त्रज्ञांना फार पूर्वीपासून माहीत आहे. आजपर्यंत, कोणीही या स्थितीवर शंका घेत नाही, कारण प्रकाश लहरी वर्तनाची सर्व चिन्हे स्पष्टपणे दर्शवितो: प्रकाश लाटा एकमेकांना ओव्हरलॅप करू शकतात, एक हस्तक्षेप पॅटर्न तयार करतात, ते विभक्त होण्याच्या वेळेसह अडथळ्यांभोवती वाकणे देखील सक्षम आहेत.

बदकासारखा चालणारा, बदकासारखा पोहणारा आणि बदकासारखा चकरा मारणारा पक्षी पाहिल्यावर आपण त्या पक्ष्याला बदक म्हणतो. तर प्रकाश आहे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरप्रकाशात अशा लहरीच्या वर्तनाच्या वस्तुनिष्ठपणे निरीक्षण केलेल्या चिन्हांवर आधारित.

तथापि, 19 व्या आणि 20 व्या शतकाच्या उत्तरार्धात, भौतिकशास्त्रज्ञ प्रकाशाच्या "कण-लहरी द्वैतवाद" बद्दल बोलू लागले. असे दिसून आले की प्रकाश हे इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक वेव्ह आहे हे ज्ञान केवळ विज्ञानाला प्रकाशाबद्दल माहित नाही. शास्त्रज्ञांनी प्रकाशात एक अतिशय मनोरंजक वैशिष्ट्य शोधून काढले आहे.

असे दिसून आले की प्रकाश कसा तरी कणांच्या प्रवाहाच्या वर्तनाच्या रूपात प्रकट होतो.असे आढळून आले की प्रकाशाद्वारे वाहून नेलेली उर्जा, एका विशिष्ट डिटेक्टरद्वारे ठराविक कालावधीत मोजल्यानंतर, वैयक्तिक (संपूर्ण) तुकड्यांमधून बनलेली असते.

म्हणून, हे खरे ठरले की प्रकाशाची ऊर्जा स्वतंत्र आहे, कारण ती बनलेली आहे, जसे की ती वैयक्तिक कण - "क्वांटा", म्हणजेच ऊर्जेच्या सर्वात लहान संपूर्ण भागांनी बनलेली आहे. ऊर्जेचे एकक (किंवा क्वांटम) वाहून नेणाऱ्या प्रकाशाच्या अशा कणाला फोटॉन असे म्हणतात.

एका फोटॉनची ऊर्जा खालील सूत्राद्वारे आढळते:

ई — फोटॉन ऊर्जा, h — प्लँकचा स्थिरांक, v — वारंवारता.

जर्मन भौतिकशास्त्रज्ञ मॅक्स प्लँक यांनी प्रथम प्रायोगिकपणे प्रकाश लहरींच्या वेगळेपणाची वस्तुस्थिती स्थापित केली आणि स्थिर h चे मूल्य मोजले, जे वैयक्तिक फोटॉनची ऊर्जा शोधण्यासाठी सूत्रामध्ये दिसते. हे मूल्य असे निघाले: 6.626 * 10-34 J * s. 1900 च्या उत्तरार्धात प्लँकने त्याच्या कामाचे परिणाम प्रकाशित केले.

उदाहरणार्थ, जांभळा किरण विचारात घ्या. अशा प्रकाशाची वारंवारता (f किंवा v) 7.5 * 1014 Hz प्लँकचा स्थिरांक (h) 6.626 * 10-34 J*s आहे. याचा अर्थ असा की फोटॉनची ऊर्जा, (ई), रंगाच्या वायलेटचे वैशिष्ट्य, 5 * 10-19 J आहे. हा ऊर्जेचा इतका लहान भाग आहे की तो पकडणे फार कठीण आहे.

एका पर्वतीय प्रवाहाची कल्पना करा - तो एक युनिट म्हणून वाहतो आणि तो प्रवाह प्रत्यक्षात पाण्याच्या वैयक्तिक रेणूंनी बनलेला आहे हे उघड्या डोळ्यांनी पाहणे अशक्य आहे. आज, तथापि, आपल्याला माहित आहे की मॅक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट-प्रवाह-प्रत्यक्षात स्वतंत्र आहे, म्हणजे, त्यात वैयक्तिक रेणू असतात.

याचा अर्थ असा की प्रवाहाजवळून जाणारे पाण्याचे रेणू मोजण्यासाठी जर आपण प्रवाहाच्या शेजारी एक रेणू काउंटर ठेवू शकलो, तर डिटेक्टर नेहमी पाण्याच्या रेणूंची संपूर्ण संख्या मोजेल, आंशिक नाही.

त्याचप्रमाणे, फोटॉन E च्या एकूण ऊर्जेचा आलेख, t वेळी मोजला जातो — नेहमी रेखीय (पिवळा आकृती) नसून पायरीच्या दिशेने (हिरवी आकृती) असेल:

म्हणून, फोटॉन हलतात, ते ऊर्जा वाहून नेतात, म्हणून त्यांना गती असते. पण फोटॉनला वस्तुमान नसते. मग तुम्हाला गती कशी मिळेल?

खरं तर, प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळ जाणाऱ्या वस्तूंसाठी p = mv हे शास्त्रीय सूत्र लागू होत नाही. या असामान्य प्रकरणात गती कशी शोधायची हे समजून घेण्यासाठी, विशेष सापेक्षतेकडे वळूया:

1905 मध्ये अल्बर्ट आइनस्टाइनने या दृष्टिकोनातून स्पष्ट केले फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव… आपल्याला माहित आहे की मेटल प्लेटमध्ये इलेक्ट्रॉन असतात, जे त्याच्या आत अणूंच्या सकारात्मक चार्ज केलेल्या केंद्रकाद्वारे आकर्षित होतात आणि त्यामुळे ते धातूमध्ये टिकून राहतात. परंतु जर तुम्ही अशा प्लेटला ठराविक वारंवारतेच्या प्रकाशाने चमकवले तर तुम्ही प्लेटमधून इलेक्ट्रॉन बाहेर काढू शकता.

जणू काही प्रकाश कणांच्या प्रवाहाप्रमाणे गतीने वागत असतो. आणि जरी फोटॉनला वस्तुमान नसले तरीही ते धातूमधील इलेक्ट्रॉनशी कसा तरी संवाद साधतो आणि काही विशिष्ट परिस्थितीत फोटॉन इलेक्ट्रॉनला बाहेर काढू शकतो.

त्यामुळे प्लेटवरील फोटॉनच्या घटनेत पुरेशी ऊर्जा असल्यास, इलेक्ट्रॉन धातूमधून बाहेर फेकले जाईल आणि वेग v सह प्लेटच्या बाहेर जाईल. अशा नॉक आउट इलेक्ट्रॉनला फोटोइलेक्ट्रॉन म्हणतात.

बाहेर काढलेल्या इलेक्ट्रॉनला ज्ञात वस्तुमान m असल्याने, त्यात विशिष्ट गतीज ऊर्जा mv असेल.

फोटॉनची उर्जा, जेव्हा ती धातूवर कार्य करते, तेव्हा इलेक्ट्रॉनच्या धातूमधून बाहेर पडण्याच्या उर्जेमध्ये (कार्य कार्य) आणि इलेक्ट्रॉनच्या गतिज उर्जेमध्ये रूपांतरित होते, ज्याच्या ताब्यात नॉक-आउट इलेक्ट्रॉन हलू लागतो. धातूच्या बाहेर, ते सोडून.

समजा ज्ञात तरंगलांबीचा फोटॉन एखाद्या धातूच्या पृष्ठभागावर आदळतो ज्यासाठी कार्य कार्य (धातूपासून इलेक्ट्रॉनचे) ज्ञात आहे. या प्रकरणात, दिलेल्या धातूमधून उत्सर्जित होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनची गतीज ऊर्जा, तसेच त्याचा वेग सहज शोधता येतो.

जर फोटॉनची उर्जा इलेक्ट्रॉनला कार्य कार्य करण्यासाठी पुरेशी नसेल, तर इलेक्ट्रॉन दिलेल्या धातूचा पृष्ठभाग सोडू शकत नाही आणि फोटोइलेक्ट्रॉन तयार होत नाही.

1924 मध्ये, एक फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ लुई डी ब्रॉग्ली त्यानुसार एक यशस्वी कल्पना मांडली केवळ प्रकाशाचे फोटॉनच नव्हे तर इलेक्ट्रॉन स्वतः लाटांसारखे वागू शकतात. शास्त्रज्ञाने इलेक्ट्रॉनच्या काल्पनिक तरंगलांबीसाठी एक सूत्र देखील काढले. या लहरींना पुढे "डी ब्रोग्ली लाटा" असे म्हटले गेले.

डी ब्रोग्लीच्या गृहीतकाला नंतर पुष्टी मिळाली. क्लिंटन डेव्हिसन आणि लेस्टर जर्मर या अमेरिकन शास्त्रज्ञांनी 1927 मध्ये इलेक्ट्रॉन विवर्तनावरील भौतिकशास्त्राच्या प्रयोगाने शेवटी इलेक्ट्रॉनच्या लहरी स्वरूपाकडे लक्ष वेधले.

जेव्हा इलेक्ट्रॉनचा बीम एका विशेष अणु रचनेद्वारे निर्देशित केला गेला तेव्हा असे दिसते की डिटेक्टरने हे चित्र एकामागून एक उडणारे कण म्हणून रेकॉर्ड केले असावे, जे इलेक्ट्रॉन कण असल्यास तार्किकदृष्ट्या अपेक्षित आहे.

परंतु व्यवहारात आपल्याकडे लहरी विवर्तनाचे वैशिष्ट्य आहे. शिवाय, या लहरींची लांबी डी ब्रॉग्लीने प्रस्तावित केलेल्या संकल्पनेशी पूर्णपणे सुसंगत आहे.

सरतेशेवटी, डी ब्रॉग्लीच्या कल्पनेने बोहरच्या अणु मॉडेलचे तत्त्व स्पष्ट करणे शक्य झाले आणि नंतर एर्विन श्रोडिंगरला या कल्पनांचे सामान्यीकरण करणे आणि आधुनिक क्वांटम भौतिकशास्त्राचा पाया घालणे शक्य झाले.