- Charakterystyka modelu atomowego de Brogliego
- Eksperyment Davissona i Germera
- Ograniczenia
- Ciekawe artykuły
- Bibliografia
Model atomowy de Broglie został zaproponowany przez francuskiego fizyka Louisa Broglie w 1924 r. W swojej pracy doktorskiej Broglie potwierdził dualizm falowo-cząsteczkowy elektronów, kładąc podwaliny pod mechanikę falową. Broglie opublikował ważne odkrycia teoretyczne dotyczące ciałkowo-falowej natury materii w skali atomowej.
Później stwierdzenia de Broglie zostały eksperymentalnie zademonstrowane przez naukowców Clintona Davissona i Lestera Germera w 1927 r. Teoria fal elektronowych De Brogliego opiera się na propozycji Einsteina dotyczącej właściwości falowych światła o krótkich długościach fal.
Broglie ogłosił możliwość, że materia zachowuje się podobnie do światła i zasugerował podobne właściwości cząstek subatomowych, takich jak elektrony.
Ładunki elektryczne i orbity ograniczają amplitudę, długość i częstotliwość fali opisywanej przez elektrony. Broglie wyjaśnił ruch elektronów wokół jądra atomowego.
Charakterystyka modelu atomowego de Brogliego
Aby rozwinąć swoją propozycję, Broglie wyszedł od zasady, że elektrony mają dwoistą naturę między falą a cząstką, podobnie jak światło.
W tym sensie Broglie dokonał porównania między obydwoma zjawiskami i na podstawie równań opracowanych przez Einsteina do badania falowej natury światła wskazał, co następuje:
- Całkowita energia fotonu, a tym samym całkowita energia elektronu, wynika z iloczynu częstotliwości fal i stałej Planka (6,62606957 (29) × 10-34 Jules x sekund), jak pokazano wyszczególnione w następującym wyrażeniu:
W tym wyrażeniu:
E = energia elektronu.
h = stała deski.
f = częstotliwość fali.
- Liniowy pęd fotonu, a tym samym elektronu, jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali, a obie wielkości są powiązane przez stałą Planka:
W tym wyrażeniu:
p = pęd elektronu.
h = stała deski.
λ = długość fali.
- Pęd liniowy jest iloczynem masy cząstki i prędkości, z jaką cząstka się przemieszcza.
Jeśli powyższe wyrażenie matematyczne zostanie przekształcone w funkcję długości fali, otrzymamy:
W tym wyrażeniu:
λ = długość fali.
h = stała deski.
m = masa elektronu.
v = prędkość elektronu.
Ponieważ h, stała Planka, ma małą wartość, tak samo jest z długością fali λ. W konsekwencji można stwierdzić, że właściwości falowe elektronu występują tylko na poziomie atomowym i subatomowym.
- Broglie opiera się również na postulatach modelu atomowego Bohra. Według tego ostatniego orbity elektronów są ograniczone i mogą być jedynie wielokrotnościami liczb całkowitych. Więc:
Gdzie:
λ = długość fali.
h = stała deski.
m = masa elektronu.
v = prędkość elektronu.
r = promień orbity.
n = liczba całkowita.
Zgodnie z modelem atomowym Bohra, który Broglie przyjął jako podstawę, jeśli elektrony zachowują się jak fale stojące, jedynymi dozwolonymi orbitami są te, których promień jest równy całkowitej wielokrotności długości fali λ.
Dlatego nie wszystkie orbity spełniają parametry niezbędne do poruszania się przez nie elektronu. Dlatego elektrony mogą poruszać się tylko po określonych orbitach.
Teoria fal elektronowych de Brogliego uzasadnia sukces modelu atomowego Bohra w wyjaśnianiu zachowania pojedynczego elektronu atomu wodoru.
W podobny sposób wyjaśnił również, dlaczego ten model nie pasuje do bardziej złożonych systemów, to jest atomów z więcej niż jednym elektronem.
Eksperyment Davissona i Germera
Eksperymentalna weryfikacja modelu atomowego de Broglie miała miejsce 3 lata po jego publikacji, w 1927 roku.
Czołowi amerykańscy fizycy Clinton J. Davisson i Lester Germer eksperymentalnie potwierdzili teorię mechaniki fal.
Davisson i Germer przeprowadzili testy rozpraszania wiązki elektronów przez kryształ niklu i obserwowali zjawisko dyfrakcji w ośrodku metalicznym.
Przeprowadzony eksperyment polegał na wykonaniu następującej procedury:
- W pierwszej kolejności umieszczono wiązkę elektronów o znanej energii początkowej.
- Zainstalowano źródło napięcia, aby przyspieszyć ruch elektronów poprzez wzbudzenie różnicy potencjałów.
- Strumień wiązki elektronów został skierowany w stronę metalicznego kryształu; w tym przypadku nikiel.
- Zmierzono liczbę elektronów, które uderzyły w kryształ niklu.
Pod koniec eksperymentu Davisson i Germer wykryli, że elektrony zostały rozproszone w różnych kierunkach.
Powtarzając eksperyment z metalowymi kryształami o różnych orientacjach, naukowcy odkryli, co następuje:
- Rozpraszanie wiązki elektronów przez metaliczny kryształ było porównywalne ze zjawiskiem interferencji i dyfrakcji promieni świetlnych.
- Odbicie elektronów na krysztale uderzeniowym opisywało trajektorię, którą teoretycznie powinien on opisywać zgodnie z teorią fal elektronowych de Brogliego.
Krótko mówiąc, eksperyment Davissona i Germera zweryfikował eksperymentalnie podwójną falowo-cząsteczkową naturę elektronów.
Ograniczenia
Model atomowy de Broglie nie przewiduje dokładnego położenia elektronu na orbicie, po której się on porusza.
W tym modelu elektrony są postrzegane jako fale poruszające się po orbicie bez określonej lokalizacji, wprowadzając w ten sposób koncepcję orbitalu elektronicznego.
Ponadto model atomowy de Broglie, analogiczny do modelu Schrödingera, nie uwzględnia rotacji elektronów wokół ich tej samej osi (spin).
Ignorując wewnętrzny moment pędu elektronów, pomija się przestrzenne zmiany tych cząstek subatomowych.
W tym samym duchu model ten nie uwzględnia również zmian w zachowaniu się szybkich elektronów w wyniku efektów relatywistycznych.
Ciekawe artykuły
Model atomowy Schrödingera.
Model atomowy Chadwicka.
Model atomowy Heisenberga.
Model atomowy Perrina.
Model atomowy Thomsona.
Model atomowy Daltona.
Model atomowy Diraca Jordana.
Atomowy model Demokryta.
Model atomowy Bohra.
Bibliografia
- Teoria kwantowa Bohra i fale De Broglie (nd). Odzyskany z: ne.phys.kyushu-u.ac.j
- Louis de Broglie - Biograficzny (1929). © Fundacja Nobla. Odzyskany z: nobelprize.org
- Louis-Victor de Broglie (nd). Odzyskany z: chemed.chem.purdue.edu
- Lovett, B. (1998). Louis de Broglie. Encyclopædia Britannica, Inc. Źródło: britannica.com
- Model atomowy De Brogliego. Narodowy Uniwersytet Kształcenia na Odległość. Hiszpania. Odzyskany z: ocw.innova.uned.es
- Waves Of Matter, autor: Louis De Broglie (nd). Odzyskany z: hiru.eus
- Von Pamel, O. i Marchisio, S. (nd). Mechanika kwantowa. Narodowy Uniwersytet Rosario. Odzyskany z: fceia.unr.edu.ar