Các electron năng lượng thấp: Bản chất sóng rõ rệt hơn
1 · Dự đoán
Một electron chuyển động chậm có bước sóng de Broglie dài hơn electron chuyển động nhanh. Điều này có nghĩa là bản chất sóng của electron chậm dễ quan sát bằng thực nghiệm hơn hay khó hơn?
- Khó quan sát hơn đối với các electron chậm.
- Dễ dàng hơn - bước sóng dài hơn (có thể so sánh với khoảng cách nguyên tử hoặc kích thước khe) làm cho hiệu ứng nhiễu xạ và giao thoa rõ ràng hơn và dễ phát hiện hơn.
- Hiệu ứng sóng không phụ thuộc vào bước sóng của electron.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước sóng điện tử chậm và nhấn Reset. Những electron này chuyển động chậm hơn nhiều so với trong thí nghiệm electron-de-broglie.
- Kích hoạt tính năng đọc bước sóng de Broglie.
- Đặt động năng (thấp) của electron cho mỗi lần thử và ghi lại bước sóng de Broglie của nó.
3 · Thu thập dữ liệu
| Động năng K (eV) | Bước sóng De Broglie λ (pm) |
|---|---|
| 5.00 | |
| 10.00 | |
| 20.00 |
Vẽ đồ thị bước sóng λ (trục y) theo 1/√K (trục x) cho ba lần thử của bạn. So sánh thang đo của các bước sóng này với thí nghiệm electron-de-broglie.
4 · Phân tích
- Đối với một lần thử, hãy tính λ = h/√(2m_eK) sử dụng K trong phạm vi 5-20 eV. So sánh với bảng - chú ý những bước sóng này (hàng trăm chiều) dài hơn bước sóng của thí nghiệm electron-de-broglie năng lượng cao hơn.
- Giải thích tại sao việc giảm động năng (giảm động lượng) luôn làm tăng bước sóng de Broglie, sử dụng λ = h/p.
5 · Gia hạn
- Thí nghiệm Davisson-Germer năm 1927 đã phân tán các electron chậm (năng lượng tương tự thí nghiệm này, hàng chục eV) ra khỏi một tinh thể niken và quan sát thấy một mẫu nhiễu xạ khớp chính xác với bước sóng de Broglie dự đoán – sự xác nhận thực nghiệm trực tiếp đầu tiên về sóng vật chất. Giải thích tại sao các electron chậm (có bước sóng tương đương với khoảng cách nguyên tử trong tinh thể) là lựa chọn phù hợp cho thí nghiệm này.
- Các kỹ thuật như làm mát bằng laser có thể làm chậm các nguyên tử xuống mức động năng cực thấp, tạo cho chúng bước sóng de Broglie đủ lớn để quan sát các hiệu ứng sóng lượng tử nổi bật (như ngưng tụ Bose-Einstein). Giải thích nguyên tắc chung kết nối 'lạnh hơn' với 'giống sóng hơn'.
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Bước sóng De Broglie ở mức năng lượng thấp
Vì λ = h/√(2mK), việc giảm động năng của electron sẽ làm tăng bước sóng de Broglie của nó - các hạt 'lạnh', chậm có hành vi sóng rõ rệt nhất, dễ quan sát nhất.