Électrons à faible énergie : une nature ondulatoire plus prononcée
1 · Prédire
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 ?
- 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.
2 · Configurer
- 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.
- Activez la lecture de la longueur d’onde de Broglie.
- Réglez l’énergie cinétique (faible) de l’électron pour chaque essai et enregistrez sa longueur d’onde de Broglie.
3 · Collecter les Données
| Énergie cinétique K (eV) | Longueur d'onde de De Broglie λ (pm) |
|---|---|
| 5.00 | |
| 10.00 | |
| 20.00 |
Tracez la longueur d'onde λ (axe y) par rapport à 1/√K (axe x) pour vos trois essais. Comparez l'échelle de ces longueurs d'onde à celle de l'expérience électron de broglie.
4 · Analyser
- 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.
5 · Approfondir
- 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 ».
La physique derrière cette expérience
Longueur d'onde de De Broglie à basse énergie
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.