Physique moderne

Paquet d'onde d'électron lent

Un K faible donne une longueur d'onde de de Broglie longue sur le banc à échelle λ.

Paquet d'onde d'électron lent — simulation interactive de Physique moderne. Un K faible donne une longueur d'onde de de Broglie longue sur le banc à échelle λ. Laboratoire virtuel de physique gratuit dans le navigateur, avec mesures SI en direct et tutoriel guidé.

Électrons de grande longueur d'onde

Une faible énergie cinétique K donne une longue longueur d'onde de De Broglie sur le banc à l'échelle λ.

Une faible énergie cinétique signifie une petite quantité de mouvement et une longue longueur d'onde de De Broglie, de sorte que les effets de diffraction et d'interférence dominent sur les trajectoires de type particule. Ce préréglage utilise des électrons lents afin que λ soit grand sur la paillasse et que le comportement ondulatoire soit évident.

• Longueur d'onde de de Broglie λ = h/p
• K bas → λ long

Mémoire d'enquête

Planifiez la question avant d'ouvrir le laboratoire

Le brief reprend la page pré-rendue  : question directrice, prédictions concurrentes, rôles des variables, lois directrices, préparation et consignes d’analyse et de prolongement restent visibles et dans cet ordre.

Question de conduite

Un électron lent a une longueur d’onde de Broglie plus longue qu’un électron rapide. Cela signifie-t-il que la nature ondulatoire d'un électron lent est plus facile ou plus difficile à observer expérimentalement ?

Des pronostics à peser

• Plus difficile à observer pour les électrons lents.
• Plus facile  : une longueur d'onde plus longue (comparable aux espacements atomiques ou à la taille des fentes) rend les effets de diffraction et d'interférence plus prononcés et détectables.
• Les effets des vagues ne dépendent pas de la longueur d’onde de l’électron.

Rôles variables

Ce que vous définissez  :

• Énergie cinétique K (eV)

Ce que vous mesurez  :

• Longueur d'onde de De Broglie λ (pm)

Comment se déroule l'enquête

1. Ouvrez le préréglage d’ondes électroniques lentes et appuyez sur Réinitialiser. Ces électrons se déplacent beaucoup plus lentement que dans l’expérience des électrons de Broglie.
2. Activez la lecture de la longueur d’onde de Broglie.
3. Réglez l’énergie cinétique (faible) de l’électron pour chaque essai et enregistrez sa longueur d’onde de Broglie.

Équation gouvernante

Longueur d'onde de De Broglie à basse énergie — λ = h/p

Puisque λ = h/√(2mK), la diminution de l'énergie cinétique d'un électron augmente sa longueur d'onde de Broglie  : les particules lentes et « froides » ont le comportement ondulatoire le plus prononcé et le plus facile à observer.

Ce que la feuille de travail imprimable demande aux élèves de résoudre

• Pour un essai, calculez λ = h/√(2m_eK) en utilisant K dans la plage 5-20 eV. Comparez avec le tableau - remarquez que ces longueurs d'onde (des centaines de pm) sont plus longues que celles de l'expérience d'électron de broglie à plus haute énergie.
• Expliquez, à l'aide de λ = h/p, pourquoi diminuer l'énergie cinétique (diminuer la quantité de mouvement) augmente toujours la longueur d'onde de De Broglie.

Où cela apparaît au-delà du laboratoire

• L'expérience 1927 Davisson-Germer a diffusé des électrons lents (énergies similaires à cette expérience, des dizaines d'eV) sur un cristal de nickel et a observé un diagramme de diffraction correspondant exactement à la longueur d'onde prédite de Broglie - la première confirmation expérimentale directe des ondes de matière. Expliquez pourquoi les électrons lents (avec des longueurs d'onde comparables à l'espacement atomique dans un cristal) étaient le bon choix pour cette expérience.
• Des techniques telles que le refroidissement laser peuvent ralentir les atomes jusqu'à des énergies cinétiques extrêmement faibles, leur donnant des longueurs d'onde de Broglie suffisamment grandes pour observer des effets d'ondes quantiques saisissants (comme les condensats de Bose-Einstein). Expliquez le principe général reliant « plus froid » à « plus ondulatoire ».

• 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. Bienvenue dans l'onde lente d'électrons
2. Sélectionnez l'électron
3. Appuyez sur Lecture
4. λ grand à faible énergie
5. Ouvrez l'Inspecteur
6. Bravo !

Ouvrez la simulation interactive pour construire la scène, appuyez sur Lecture et explorez avec des mesures en direct et un tutoriel guidé.

Ouvrir le laboratoire interactif →

Télécharger la fiche de laboratoire →

Ondes de matière de De Broglie