Falowe własności cząstek wyk. Agata Niezgoda

Na poprzednich lekcjach omówione zostały falowe i cząsteczkowe własności światła. Rodzi się pytanie czy taką podwójną naturę ma jeszcze coś oprócz światła? Okazuje się, że tak. W 1924 roku francuski fizyk Louis de Broglie wysunął hipotezę mówiącą o tym, że korpuskularno-falową naturę mają również cząstki materii. Foton, czyli kwant światła wykazuje własności falowe i cząsteczkowe, podobnie jest z elektronem, w pewnych eksperymentach zachowuje się jak fala, w innych natomiast jak cząstka. Falowe własności cząstek ujawniają się w momencie ich poruszania się.

Zgodnie z hipotezą de Broglie, z każdą poruszającą się cząstką związana jest fala, nie jest to jednak fala elektromagnetyczna. Falę związaną z poruszającą się cząstką nazywamy falą materii lub falą de Broglie. Jej długość obliczamy ze wzoru: gdzie: λ m – długość fali związanej z poruszającą się cząstką, tzw. fali materii, h – stała Plancka (h=6,63* J*s), p cz - pęd cząstki.

Gdybyśmy obliczyli długość fali de Broglie’a dla małej piłki poruszającej się z szybkością kilkudziesięciu metrów na sekundę okazałoby się, że jest ona ponad razy mniejsza od długości światła widzialnego. Przez to nie można jej wykryć eksperymentalnie. Jest to jedną z przyczyn, dla których obiekty makroskopowe nie wykazują własności falowych. Aby zaobserwować dyfrakcję musielibyśmy dysponować szczelinami o szerokości porównywalnej z długością fali materii, a przez takie szczeliny piłka ani nawet mniejszy nieco obiekt nie miałyby szansy się przedostać.

W 1927 roku dwaj fizycy amerykańscy Clinton Davisson i Lester Germer wykonali doświadczenie, które udowodniło falową naturę elektronów. Była to dyfrakcja elektronów na krysztale glinu. Kiedy Louis de Broglie (lata dwudzieste XX wieku) wysunął hipotezę fal materii, najmniejszymi znanymi wówczas przesłonami były sieci krystaliczne. Odległości między sąsiednimi płaszczyznami w tych sieciach, zajmowanymi przez atomy, były rzędu m (0,1 nm). Długość fali materii związanej z elektronem przyspieszanym napięciem 100 V wynosi 0,12 nm. Gdy taką wiązkę elektronów skierujemy na odpowiednio przygotowany kryształ, powinniśmy zaobserwować ich dyfrakcję (ugięcie). W ten oto sposób dowiedziono, że elektrony podobnie jak światło mają dwoistą naturę. W jednym doświadczeniu elektrony zachowują się jak fale, a w innych jak cząstki. Schemat aparatury do obserwacji dyfrakcji elektronów

Obrazy dyfrakcji elektronów na krysztale Źródła: pytanie317.jpg Źródło:

Zastosowanie falowych własności elektronów Falowe własności elektronów wykorzystuje się w mikroskopach elektronowych. Odróżnianie pojedynczych obiektów jako oddzielnych w mikroskopach optycznych ograniczona jest minimalną długością fali świetlnej rzędu 400 nm (barwa fioletowa). Przy wykorzystaniu elektronów uzyskuje się dużo lepszą rozdzielczość. Na przykład z elektronem przyspieszanym napięciem 50 kV związana jest fala o długości 0, 0055 nm. Zdolność odróżniania pojedynczych przedmiotów jako oddzielnych w mikroskopach elektronowych, w których wykorzystuje się takie elektrony jest rzędu 0,2 nm, czyli ponad razy lepsza niż w mikroskopach optycznych.

Mikroskopy elektronowe dzieli się na dwa rodzaje, na mikroskopy transmisyjne i mikroskopy skaningowe. Zasada działania mikroskopu transmisyjnego (rys. obok) jest bardzo podobna do mikroskopu optycznego. Elektrony emitowane są przez działo elektronowe, a następnie uformowane w wąską wiązkę padają na przedmiot. Specjalnie przygotowaną próbkę, która nie może być grubsza niż 100 nm. Elektrony przechodzą przez próbkę i ogniskowane są przez pole magnetyczne (specjalne elektromagnesy) w rzeczywisty obraz na ekranie fluorescencyjnym. Mikroskopy transmisyjne mają małą głębię ostrości dlatego trudno w nich uzyskać obrazy trójwymiarowe. Schemat działania transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Źródło:

Problem ten rozwiązano konstruując mikroskopy skaningowe. Stało się to jednak kosztem zmniejszonej do około 1 nm zdolności rozróżniania pojedynczych obiektów. W mikroskopach skaningowych (rys. obok) elektrony wychodzą z działa elektronowego i ogniskowane są w małą plamkę, która skanuje obszar badanego przedmiotu. Elektrony padając na skanowany przedmiot wybijają z niego elektrony wtórne, które dają na ekranie obraz badanej próbki. Schemat działania mikroskopu elektronowego skaningowego. Źródło:

Fotografia wykonana za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiająca męskie elementy rozrodcze występujące u roślin nasiennych różnych gatunków. Źródło:

Fotografia kryształu tlenku żelaza, wykonana za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego, przez Małgorzatę Warmuzek. Źródło:

Literatura P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, cz. 3, wyd. OPERON, Gdynia 2007