Σύγχρονη φυσική

Διπλή σχισμή με ηλεκτρόνια

Πήγα σε λειτουργία διπλής σχισμής — τα περιθώρια κλιμακώνονται με το λ και την απόσταση σχισμών.

Διπλή σχισμή με ηλεκτρόνια — διαδραστική προσομοίωση Σύγχρονη φυσική. Πήγα σε λειτουργία διπλής σχισμής — τα περιθώρια κλιμακώνονται με το λ και την απόσταση σχισμών. Δωρεάν εικονικό εργαστήριο φυσικής στον φυλλομετρητή με ζωντανές μετρήσεις σε μονάδες SI και καθοδηγούμενο μάθημα.

Συμβολή κυμάτων ύλης

Μετάβασε σε λειτουργία διπλής σχισμής — οι κροσσοί κλιμακώνονται με το λ και την απόσταση σχισμών.

Ηλεκτρόνια μέσα από δύο σχισμές παράγουν συμβολή όπως τα φωτόνια, αλλά τα μήκη κύματος de Broglie για ηλεκτρόνια kilovolt είναι της τάξης των πικομέτρων — τα σχήματα είναι λεπτολειακά. Η προεπιλογή υπερβάλλει το μήκος κύματος σε σχολική κλίμακα ώστε η απόσταση κροσσών Δy = λL/d να είναι ορατή όταν αλλάζει η απόσταση σχισμών ή η ενέργεια.

• Δy = λL/d
• Δυϊσμός κύματος–σωματιδίου

Σύνοψη έρευνας

Σχεδίασε την ερώτηση πριν ανοίξεις το εργαστήριο

Η σύνοψη κατοπτρίζει την προαποτυπωμένη σελίδα: η βασική ερώτηση, οι αντικρουόμενες προβλέψεις, οι ρόλοι των μεταβλητών, οι κύριοι νόμοι, η διάταξη, η ανάλυση και οι προεκτάσεις παραμένουν ορατά και με αυτή τη σειρά.

Βασική ερώτηση

Ηλεκτρόνια πυροβολούμενα ένα τη φορά μέσα από δύο στενές σχισμές χτίζουν σχήμα συμβολής σε οθόνη, όπως κάνουν τα κύματα φωτός. Παράγει ταχύτερο ηλεκτρόνιο (μικρότερο μήκος κύματος de Broglie) ευρύτερους ή στενότερους κροσσούς συμβολής;

Προβλέψεις προς σταθμίσει

• Στενότερους κροσσούς — η απόσταση κροσσών είναι ανάλογη του μήκους κύματος, και τα ταχύτερα ηλεκτρόνια έχουν μικρότερα μήκη κύματος.
• Ευρύτερους κροσσούς για ταχύτερα ηλεκτρόνια.
• Η απόσταση κροσσών δεν εξαρτάται από την ταχύτητα ηλεκτρονίου.

Ρόλοι μεταβλητών

Τι ρυθμίζεις:

• Κινητική ενέργεια K (eV)

Τι μετράς:

• Μήκος κύματος de Broglie λ (pm)
• Απόσταση κροσσών y (cm)

Πώς εκτελείται η έρευνα

1. Άνοιξε την προεπιλογή electron-double-slit και πάτησε Επαναφορά. Απόσταση σχισμών = 100 nm, απόσταση οθόνης = 50 cm.
2. Ενεργοποίησε τις ενδείξεις μήκους κύματος de Broglie και απόστασης κροσσών.
3. Ρύθμισε την κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου για κάθε δοκιμή και κατέγραψε την απόσταση κροσσών συμβολής στην οθόνη.

Κυρίαρχη εξίσωση

Απόσταση κροσσών συμβολής ηλεκτρονίων — λ = h/p

Ακριβώς όπως με το φως, δύο συνεκτικές κυματικές πηγές σε απόσταση d παράγουν κροσσούς συμβολής σε απόσταση y = λL/d σε οθόνη σε απόσταση L. Για ηλεκτρόνια, το λ είναι το μήκος κύματος de Broglie h/√(2mK), ώστε τα ταχύτερα ηλεκτρόνια παράγουν πιο πυκνά τοποθετημένους κροσσούς.

Τι ζητά να επεξεργαστούν οι μαθητές το εκτυπώσιμο φύλλο εργασίας

• Για μία δοκιμή, υπολόγισε λ = h/√(2m_eK), μετά απόσταση κροσσών y = λL/d χρησιμοποιώντας απόσταση οθόνης L = 50 cm και απόσταση σχισμών d = 100 nm. Σύγκρινε και τα δύο με τον πίνακα.
• Εξήγησε γιατί αυτός είναι ο ακριβώς ίδιος τύπος κροσσών διπλής σχισμής που χρησιμοποιείται για το φως — μόλις αποδεχτείς ότι τα ηλεκτρόνια έχουν μήκος κύματος, το σχήμα συμβολής τους υπακούει πανομοιότυπα κυματικά μαθηματικά.

Πού εμφανίζεται αυτό πέρα από το εργαστήριο

• Αξιοσημείωτα, αυτό το σχήμα συμβολής χτίζεται ακόμη και όταν τα ηλεκτρόνια πυροβολούνται μέσα από τη συσκευή ένα τη φορά, με μεγάλα κενά μεταξύ τους. Εξήγησε γιατί αυτό αποκλείει την ιδέα ότι τα ηλεκτρόνια απλώς συμβάλλουν το ένα με ΤΟ ΑΛΛΟ, και αντιθέτως υποδηλώνει ότι κάθε ηλεκτρόνιο κάποιος «συμβάλλει με τον εαυτό του».
• Αν έστηνες ανιχνευτή για να καθορίσεις μέσα από ποια σχισμή πέρασε πραγματικά κάθε ηλεκτρόνιο, το σχήμα συμβολής εξαφανίζεται — παίρνεις δύο απλές ζώνες αντίθετα. Γιατί το «μέτρημα ποιας διαδρομής» μπορεί θεμελιωδώς να καταστρέψει τη κυματική συμβολή;

• AP Physics 2 — Unit 15: Modern Physics
• IB Physics — E.2 Quantum physics
• General High School Physics — Modern physics intro
• NGSS High School Physics — Wave-particle duality of light

1. Καλώς όρισες στη Διπλή σχισμή ηλεκτρονίων
2. Επίλεξε το ηλεκτρόνιο
3. Πάτησε Αναπαραγωγή
4. Φωτεινοί και σκοτεινοί κροσσοί
5. Άνοιξε το πάνελ Ιδιότητες
6. Το κατάφερες!

Άνοιξε τη διαδραστική προσομοίωση για να χτίσεις τη σκηνή, πάτησε Αναπαραγωγή και εξερεύνησε με ζωντανές μετρήσεις και καθοδηγούμενο μάθημα.

Άνοιγμα Διαδραστικού Εργαστηρίου →

Λήψη φύλλου εργασίας →

Κύματα ύλης de Broglie