電子は波のように振る舞う

物理学者は、光が電磁波であることを長い間知っていました。今日に至るまで、この見解を疑う人は誰もいません。光は波の挙動のすべての兆候を明確に示しているからです。光の波は互いに重なり合って干渉パターンを生成することもあれば、回折時間に沿って障害物の周りで曲がって分離することもできます。

アヒルのように歩き、アヒルのように泳ぎ、アヒルのように鳴く鳥を見たとき、私たちはその鳥をアヒルと呼びます。それで光は 電磁波光の中でのそのような波の挙動の客観的に観察された兆候に基づいています。

しかし、19 世紀後半から 20 世紀にかけて、物理学者は光の「粒子と波の二元論」について話し始めました。光が電磁波であるという知識だけが、光について科学が知っているすべてではないことが判明しました。科学者たちは光の中に非常に興味深い特徴を発見しました。

どういうわけか、光は粒子の流れの挙動として何らかの形で現れることがわかります。光によって運ばれるエネルギーは、特別な検出器によって一定期間にわたってカウントされた後、いずれにせよ個々の（全体の）部分から構成されていることが判明しました。

したがって、光のエネルギーはいわば個々の粒子、つまり「量子」、つまりエネルギーの最小部分全体で構成されているため、光のエネルギーは離散的であることが真実になりました。エネルギーの単位（または量子）を運ぶこのような光の粒子は、光子と呼ばれるようになりました。

1 つの光子のエネルギーは次の式で求められます。

E — 光子エネルギー、h — プランク定数、v — 周波数。

ドイツの物理学者マックス プランクは、最初に光波の離散性の事実を実験的に確立し、個々の光子のエネルギーを求める公式に現れる定数 h の値を計算しました。この値は、6.626 * 10-34 J * s であることが判明しました。プランクは 1900 年代後半に研究結果を発表しました。

たとえば、紫色の光線について考えてみましょう。このような光の周波数 (f または v) は 7.5 * 1014 Hz で、プランク定数 (h) は 6.626 * 10-34 J * s です。これは、紫色の特徴である光子のエネルギー (E) が 5 * 10-19 J であることを意味します。これはエネルギーの非常に小さな部分であるため、捕捉するのは非常に困難です。

渓流を想像してみてください。渓流は 1 つのまとまりとして流れており、その流れが実際に個々の水の分子から構成されているのを肉眼で見ることは不可能です。しかし今日では、巨視的な物体である流れが実際には離散的である、つまり個々の分子から構成されていることがわかっています。

これは、流れの横に分子計数器を置いて、流れが流れるときに通過する水分子を数えることができれば、検出器は常に水分子の部分的な数ではなく整数だけを数えることを意味します。

同様に、時間 t で計算された光子 E の総エネルギーのグラフは、常に線形 (黄色の図) ではなく、段階的 (緑色の図) であることがわかります。

したがって、光子は動き、エネルギーを運び、したがって運動量を持ちます。しかし、光子には質量がありません。ではどうすれば勢いを見つけることができるのでしょうか？

実際、光の速度に近い速度で移動する物体には、古典的な公式 p = mv はまったく適用できません。この珍しいケースで運動量を見つける方法を理解するために、特殊相対性理論に目を向けましょう。

1905 年にアルバート アインシュタインはこの観点から説明しました 光電効果... 金属板の中に電子があり、その内部で原子の正に帯電した原子核に引き寄せられ、金属内に保持されることがわかっています。しかし、そのようなプレートを特定の周波数の光で照らすと、プレートから電子がノックアウトされる可能性があります。

あたかも光が運動量のある粒子の流れのように振る舞うかのようです そして、光子には質量がありませんが、何らかの形で金属内の電子と相互作用し、特定の条件下では光子が電子をノックアウトすることができます。

したがって、プレートに入射する光子が十分なエネルギーを持っている場合、電子は金属からノックアウトされ、速度 v でプレートの外に移動します。このようにノックアウトされた電子を光電子と呼びます。

ノックアウトされた電子は既知の質量 m を持っているため、特定の運動エネルギー mv を持つことになります。

光子のエネルギーは、金属に作用すると、金属から電子が出るエネルギー（仕事関数）と、電子の運動エネルギーに変換され、ノックアウトされた電子が動き始めます。金属から外して、そのままにします。

既知の波長の光子が、（金属からの電子の）仕事関数が既知である金属の表面に衝突すると仮定します。この場合、特定の金属から放出される電子の速度だけでなく、その運動エネルギーも簡単に求めることができます。

光子のエネルギーが電子が仕事関数を実行するのに十分でない場合、電子は特定の金属の表面から離れることができず、光電子は形成されません。

1924年にフランスの物理学者が ルイ・ド・ブロイ それに従って画期的なアイデアを提案する 光の光子だけでなく、電子自体も波のように振る舞うことができます。 この科学者は、電子の仮想波長の式まで導き出しました。これらの波は後に「ド・ブロイ波」と呼ばれるようになりました。

ド・ブロイの仮説は後に確認されました。 1927 年にアメリカの科学者クリントン デイヴィソンとレスター ガーマーによって行われた電子回折の物理実験は、最終的に電子の波の性質を指摘しました。

電子ビームが特殊な原子構造を通過すると、検出器は粒子が次々に飛翔する様子を記録するはずで、電子が粒子であれば論理的に予想されることです。

しかし、実際には波の回折に特徴的な画像が得られます。さらに、これらの波の長さはド・ブロイによって提案された概念と完全に一致しています。

最終的に、ド・ブロイのアイデアにより、ボーアの原子模型の原理を説明することが可能になり、後にエルヴィン・シュレーディンガーがこれらのアイデアを一般化し、現代の量子物理学の基礎を築くことを可能にしました。