Moderni fysiikka
Elektronien kaksoisrako
Vaihda kaksoisrakotilaan – kaistat skaalautuvat λ:n ja rakojen välin mukaan.
Elektronien kaksoisrako – interaktiivinen Moderni fysiikka-simulaatio. Vaihda kaksoisrakotilaan – kaistat skaalautuvat λ:n ja rakojen välin mukaan. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.
Aineaaltojen interferenssi
Vaihda kaksoisrakotilaan – kaistat skaalautuvat λ:n ja rakojen välin mukaan.
Elektronit kahden raon läpi tuottavat interferenssiä kuin fotonit, mutta kilovolttielektronien de Broglien aallonpituudet ovat pikometrejä – kuviot ovat hienovaraisia. Esiasetus suurentaa aallonpituutta luokkahuonemittakaavassa, jotta kaistaväli Δy = λL/d on näkyvissä, kun raoväli tai energia muuttuu.
- Δy = λL/d
- Aalto–hiukkasdualismi
Tutkimustiivistelmä
Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista
Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.
Tutkimuskysymys
Elektronit, jotka ammutaan yksi kerrallaan kahden kapean raon läpi, rakentavat interferenssikuvion näytölle, aivan kuten valoaallot tekevät. Tuottaako nopeampi elektroni (lyhyempi de Broglien aallonpituus) leveämpiä vai kapeampia interferenssikaistoja?
Punniteltavat ennusteet
- Kapeammat kaistat – kaistaväli on verrannollinen aallonpituuteen, ja nopeammilla elektroneilla on lyhyemmät aallonpituudet.
- Leveämmät kaistat nopeammille elektroneille.
- Kaistaväli ei riipu elektronin nopeudesta.
Muuttujien roolit
Mitä asetat:
- Liike-energia K (eV)
Mitä mittaat:
- de Broglien aallonpituus λ (pm)
- Kaistaväli y (cm)
Miten tutkimus etenee
- Avaa elektronien kaksoisrako -esiasetus ja paina Nollaa. Raoväli = 100 nm, näytön etäisyys = 50 cm.
- Ota käyttöön de Broglien aallonpituuden ja kaistavälin lukemat.
- Aseta elektronin liike-energia jokaiselle suoritukselle ja kirjaa interferenssikaistojen väli näytöllä.
Hallitseva yhtälö
Elektronien interferenssikaistaväli — λ = h/p
Aivan kuten valolla, kaksi koherenttia aaltolähdettä, jotka on erotettu etäisyydellä d, tuottavat interferenssikaistat, joiden väli on y = λL/d näytöllä etäisyydellä L. Elektroneille λ on de Broglien aallonpituus h/√(2mK), joten nopeammat elektronit tuottavat tiiviimmin välitettyjä kaistoja.
Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään
- Yhdelle suoritukselle laske λ = h/√(2m_eK), sitten kaistaväli y = λL/d käyttäen näytön etäisyyttä L = 50 cm ja raoväliä d = 100 nm. Vertaa molempia taulukkoon.
- Selitä, miksi tämä on täsmälleen sama kaksoisrakokaistakaava, jota käytetään valolle – kun hyväksyt, että elektroneilla on aallonpituus, niiden interferenssikuvio noudattaa identtistä aaltomatematiikkaa.
Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella
- Huomionarvoista: tämä interferenssikuvio rakentuu, vaikka elektronit ammuttaisiin laitteiston läpi yksi kerrallaan, pitkillä väleillä niiden välillä. Selitä, miksi tämä sulkee pois idean, että elektronit yksinkertaisesti interferoisivat KESKENÄÄN, ja sen sijaan viittaa siihen, että jokainen elektroni jotenkin ”interferoi itsensä kanssa”.
- Jos asettaisit detektorin määrittämään, minkä raon kautta kukin elektroni oikeasti kulki, interferenssikuvio katoaisi – saisit kaksi yksinkertaista kaistaa sen sijaan. Miksi ”polun mittaaminen” voisi perustavasti tuhota aaltointerferenssin?
- 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
- Tervetuloa elektronien kaksoisrakoon
- Valitse elektroni
- Paina Toista
- Kirkkaat ja tummat kaistat
- Avaa Ominaisuudet-paneeli
- Onnistuit!
Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.
Avaa interaktiivinen laboratorio →