Os elétrons se comportam como ondas
Os físicos há muito sabem que a luz é uma onda eletromagnética. Até hoje ninguém duvida dessa posição, pois a luz demonstra claramente todos os sinais do comportamento ondulatório: as ondas de luz podem se sobrepor, gerando um padrão de interferência, mas também podem se separar, contornando obstáculos ao longo do tempo de difração.
Quando vemos um pássaro que anda como um pato, nada como um pato e grasna como um pato, chamamos esse pássaro de pato. Então a luz é onda eletromagnéticacom base em sinais observados objetivamente do comportamento de tal onda na luz.
No entanto, no final do século XIX e XX, os físicos começaram a falar sobre o «dualismo partícula-onda» da luz. Acontece que o conhecimento de que a luz é uma onda eletromagnética não é tudo o que a ciência sabe sobre a luz. Os cientistas descobriram uma característica muito interessante na luz.
Acontece que de alguma forma a luz se manifesta COMO o comportamento de um fluxo de partículas de alguma forma.Verificou-se que a energia transportada pela luz, depois de ser contada durante um certo período de tempo por um detector especial, acaba por ser composta de qualquer maneira por pedaços individuais (inteiros).
Portanto, tornou-se verdade que a energia da luz é discreta, porque é composta, por assim dizer, de partículas individuais - "quanta", isto é, das menores porções inteiras de energia. Essa partícula de luz, carregando uma unidade (ou quantum) de energia, passou a ser chamada de fóton.
A energia de um fóton é encontrada pela seguinte fórmula:
E — energia do fóton, h — constante de Planck, v — frequência.
O físico alemão Max Planck foi o primeiro a estabelecer experimentalmente o fato da discrepância da onda de luz e calculou o valor da constante h, que aparece na fórmula para encontrar a energia de fótons individuais. Esse valor acabou sendo: 6,626 * 10-34 J * s. Planck publicou os resultados de seu trabalho no final de 1900.
Considere, por exemplo, um raio roxo. A frequência dessa luz (f ou v) é 7,5 * 1014 Hz. A constante de Planck (h) é 6,626 * 10-34 J * s. Isso significa que a energia do fóton, (E), característica da cor violeta, é 5 * 10-19 J. Essa é uma parcela tão pequena de energia que é muito difícil capturá-la.
Imagine um riacho de montanha - ele flui como uma unidade e é impossível ver a olho nu que o riacho é na verdade composto de moléculas de água individuais. Hoje, porém, sabemos que o objeto macroscópico — o fluxo — é, na verdade, discreto, ou seja, consiste em moléculas individuais.
Isso significa que, se pudermos colocar um contador de moléculas próximo ao riacho para contar as moléculas de água que passam enquanto o riacho flui, o detector sempre contará apenas números inteiros de moléculas de água, não parciais.
Da mesma forma, o gráfico da energia total do fóton E, calculado no tempo t — sempre será não linear (figura amarela), mas passo a passo (figura verde):
Então, os fótons se movem, eles carregam energia, portanto eles têm momento. Mas um fóton não tem massa. Como então você pode encontrar impulso?
De fato, para objetos que se movem a velocidades próximas à velocidade da luz, a fórmula clássica p = mv é simplesmente inaplicável. Para entender como encontrar o momento neste caso incomum, vamos recorrer à relatividade especial:
Em 1905, Albert Einstein explicou a partir deste ponto de vista efeito fotoelétrico… Sabemos que a placa metálica contém elétrons dentro dela, que são atraídos para o seu interior pelos núcleos carregados positivamente dos átomos e, portanto, retidos no metal. Mas se você iluminar essa placa com luz de CERTA frequência, poderá expulsar os elétrons da placa.
É como se a luz se comportasse como um fluxo de partículas com momento E mesmo que um fóton não tenha massa, ele ainda interage de alguma forma com um elétron em um metal, e sob certas condições um fóton é capaz de derrubar um elétron.
Portanto, se um fóton incidente na placa tiver energia suficiente, o elétron será arrancado do metal e sairá da placa com velocidade v. Esse elétron nocauteado é chamado de fotoelétron.
Como o elétron nocauteado tem uma massa conhecida m, ele terá uma certa energia cinética mv.
A energia do fóton, quando atuou sobre o metal, é convertida em energia de saída do elétron do metal (função trabalho) e em energia cinética do elétron, possuindo a qual o elétron nocauteado começa a se mover fora do metal, deixando-o.
Suponha que um fóton de comprimento de onda conhecido atinja a superfície de um metal para o qual a função de trabalho (de um elétron do metal) é conhecida. Nesse caso, a energia cinética de um elétron emitido por um determinado metal pode ser facilmente encontrada, assim como sua velocidade.
Se a energia do fóton não for suficiente para o elétron realizar a função de trabalho, o elétron simplesmente não pode deixar a superfície do metal em questão e o fotoelétron não é formado.
Em 1924, um físico francês Louis de Broglie apresentar uma ideia inovadora segundo a qual não apenas os fótons de luz, mas os próprios elétrons podem se comportar como ondas. O cientista até derivou uma fórmula para o hipotético comprimento de onda do elétron. Essas ondas foram posteriormente chamadas de "ondas de Broglie".
A hipótese de De Broglie foi posteriormente confirmada. Um experimento de física sobre difração de elétrons, conduzido em 1927 pelos cientistas americanos Clinton Davison e Lester Germer, finalmente apontou a natureza ondulatória do elétron.
Quando um feixe de elétrons foi direcionado através de uma estrutura atômica especial, parece que o detector deveria ter registrado a imagem como partículas voando uma após a outra, o que seria logicamente esperado se os elétrons fossem partículas.
Mas, na prática, temos uma imagem característica da difração de onda. Além disso, os comprimentos dessas ondas são totalmente consistentes com o conceito proposto por de Broglie.
Em última análise, a ideia de de Broglie tornou possível explicar o princípio do modelo atômico de Bohr e, posteriormente, possibilitou que Erwin Schrödinger generalizasse essas ideias e estabelecesse as bases da física quântica moderna.