ఎలక్ట్రాన్లు తరంగాల వలె ప్రవర్తిస్తాయి

కాంతి విద్యుదయస్కాంత తరంగం అని భౌతిక శాస్త్రవేత్తలకు చాలా కాలంగా తెలుసు. ఈ రోజు వరకు, ఈ స్థితిని ఎవరూ అనుమానించరు, ఎందుకంటే కాంతి తరంగ ప్రవర్తన యొక్క అన్ని సంకేతాలను స్పష్టంగా ప్రదర్శిస్తుంది: కాంతి తరంగాలు ఒకదానికొకటి అతివ్యాప్తి చెందుతాయి, జోక్య నమూనాను ఉత్పత్తి చేస్తాయి, అవి కూడా వేరు చేయగలవు, విక్షేపణ సమయంలో అడ్డంకుల చుట్టూ వంగి ఉంటాయి.

బాతులా నడిచే పక్షిని, బాతులాగా ఈదుతూ, బాతులాగా తిరిగే పక్షిని మనం బాతు అని పిలుస్తాము. కాబట్టి కాంతి విద్యుదయస్కాంత తరంగంకాంతిలో అటువంటి తరంగం యొక్క ప్రవర్తన యొక్క నిష్పాక్షికంగా గమనించిన సంకేతాల ఆధారంగా.

అయితే, 19వ మరియు 20వ శతాబ్దాల చివరలో, భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు కాంతి యొక్క "కణ-తరంగ ద్వంద్వవాదం" గురించి మాట్లాడటం మొదలుపెట్టారు. కాంతి విద్యుదయస్కాంత తరంగం అనే జ్ఞానం కాంతి గురించి సైన్స్‌కు తెలిసినది కాదని తేలింది. శాస్త్రవేత్తలు కాంతిలో చాలా ఆసక్తికరమైన లక్షణాన్ని కనుగొన్నారు.

ఏదో ఒకవిధంగా కణాల ప్రవాహం యొక్క ప్రవర్తన వలె కాంతి వ్యక్తమవుతుందని తేలింది.ఒక ప్రత్యేక డిటెక్టర్ ద్వారా నిర్దిష్ట వ్యవధిలో లెక్కించబడిన తర్వాత కాంతి ద్వారా తీసుకువెళ్ళే శక్తి, ఏమైనప్పటికీ వ్యక్తిగత (మొత్తం) ముక్కలతో కూడి ఉంటుందని తేలింది.

అందువల్ల, కాంతి యొక్క శక్తి వివిక్తమైనది, ఎందుకంటే ఇది వ్యక్తిగత కణాలతో కూడి ఉంటుంది - "క్వాంటా", అంటే శక్తి యొక్క చిన్న మొత్తం భాగాలతో. అటువంటి కాంతి కణం, ఒక యూనిట్ (లేదా క్వాంటం) శక్తిని కలిగి ఉంటుంది, దీనిని ఫోటాన్ అని పిలుస్తారు.

ఒక ఫోటాన్ యొక్క శక్తి క్రింది సూత్రం ద్వారా కనుగొనబడుతుంది:

E — ఫోటాన్ శక్తి, h — ప్లాంక్ స్థిరాంకం, v — ఫ్రీక్వెన్సీ.

జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త మాక్స్ ప్లాంక్ మొదట కాంతి తరంగం యొక్క విచక్షణ వాస్తవాన్ని ప్రయోగాత్మకంగా స్థాపించారు మరియు వ్యక్తిగత ఫోటాన్ల శక్తిని కనుగొనే సూత్రంలో కనిపించే స్థిరమైన h విలువను లెక్కించారు. ఈ విలువ ఇలా మారింది: 6.626 * 10-34 J * s. ప్లాంక్ తన పని ఫలితాలను 1900ల చివరలో ప్రచురించాడు.

ఉదాహరణకు, పర్పుల్ కిరణాన్ని పరిగణించండి. అటువంటి కాంతి యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీ (f లేదా v) 7.5 * 1014 Hz ప్లాంక్ యొక్క స్థిరాంకం (h) 6.626 * 10-34 J * s. దీనర్థం ఫోటాన్ యొక్క శక్తి, (E), వైలెట్ రంగు యొక్క లక్షణం, 5 * 10-19 J. ఇది శక్తి యొక్క చిన్న భాగం, దానిని సంగ్రహించడం చాలా కష్టం.

ఒక పర్వత ప్రవాహాన్ని ఊహించండి - ఇది ఒక యూనిట్‌గా ప్రవహిస్తుంది మరియు ఆ ప్రవాహం వాస్తవానికి వ్యక్తిగత నీటి అణువులతో రూపొందించబడిందని కంటితో చూడటం అసాధ్యం. అయితే, నేడు, స్థూల వస్తువు-ప్రవాహం-వాస్తవానికి వివిక్తమైనది, అంటే అది వ్యక్తిగత అణువులను కలిగి ఉంటుందని మనకు తెలుసు.

దీనర్థం, ప్రవాహం ప్రవహిస్తున్నప్పుడు ప్రవహించే నీటి అణువులను లెక్కించడానికి మేము ప్రవాహం ప్రక్కన ఒక మాలిక్యూల్ కౌంటర్‌ను ఉంచగలిగితే, డిటెక్టర్ ఎల్లప్పుడూ మొత్తం నీటి అణువులను మాత్రమే గణిస్తుంది, పాక్షిక వాటిని కాదు.

అదేవిధంగా, ఫోటాన్ E యొక్క మొత్తం శక్తి యొక్క గ్రాఫ్, t సమయంలో లెక్కించబడుతుంది - ఎల్లప్పుడూ సరళంగా (పసుపు బొమ్మ) కాకుండా స్టెప్‌వైస్ (ఆకుపచ్చ చిత్రం)గా మారుతుంది:

కాబట్టి, ఫోటాన్లు కదులుతాయి, అవి శక్తిని కలిగి ఉంటాయి, కాబట్టి వాటికి మొమెంటం ఉంటుంది. కానీ ఫోటాన్‌కు ద్రవ్యరాశి ఉండదు. అప్పుడు మీరు వేగాన్ని ఎలా కనుగొనగలరు?

వాస్తవానికి, కాంతి వేగానికి దగ్గరగా ఉన్న వేగంతో కదిలే వస్తువులకు, p = mv అనే క్లాసికల్ ఫార్ములా కేవలం వర్తించదు. ఈ అసాధారణ సందర్భంలో వేగాన్ని ఎలా కనుగొనాలో అర్థం చేసుకోవడానికి, ప్రత్యేక సాపేక్షత వైపుకు వెళ్దాం:

1905లో, ఆల్బర్ట్ ఐన్‌స్టీన్ ఈ దృక్కోణం నుండి వివరించాడు ఫోటోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం… మెటల్ ప్లేట్ లోపల ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉన్నాయని మనకు తెలుసు, దాని లోపల పరమాణువుల ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన న్యూక్లియైలు ఆకర్షితుడవుతాయి మరియు అందువల్ల లోహంలో ఉంచబడతాయి. కానీ మీరు ఒక నిర్దిష్ట ఫ్రీక్వెన్సీ యొక్క కాంతితో అలాంటి ప్లేట్‌ను ప్రకాశిస్తే, అప్పుడు మీరు ప్లేట్ నుండి ఎలక్ట్రాన్‌లను పడగొట్టవచ్చు.

కాంతి మొమెంటమ్‌తో కణాల ప్రవాహంలా ప్రవర్తించినట్లే.మరియు ఫోటాన్‌కు ద్రవ్యరాశి లేనప్పటికీ, అది ఇప్పటికీ ఏదో ఒక లోహంలోని ఎలక్ట్రాన్‌తో సంకర్షణ చెందుతుంది మరియు కొన్ని పరిస్థితులలో ఫోటాన్ ఎలక్ట్రాన్‌ను పడగొట్టగలదు.

కాబట్టి ప్లేట్‌లోని ఫోటాన్ సంఘటన తగినంత శక్తిని కలిగి ఉంటే, అప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ మెటల్ నుండి పడగొట్టబడుతుంది మరియు ప్లేట్ నుండి వేగం vతో కదులుతుంది. అటువంటి నాక్ అవుట్ ఎలక్ట్రాన్‌ను ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ అంటారు.

నాక్ అవుట్ ఎలక్ట్రాన్ తెలిసిన ద్రవ్యరాశి mని కలిగి ఉన్నందున, అది నిర్దిష్ట గతిశక్తి mvని కలిగి ఉంటుంది.

ఫోటాన్ యొక్క శక్తి, అది లోహంపై పనిచేసినప్పుడు, లోహం (పని ఫంక్షన్) నుండి ఎలక్ట్రాన్ యొక్క నిష్క్రమణ శక్తిగా మరియు ఎలక్ట్రాన్ యొక్క గతి శక్తిగా మార్చబడుతుంది, ఇది నాక్-అవుట్ ఎలక్ట్రాన్ కదలడం ప్రారంభిస్తుంది. మెటల్ బయటకు, అది వదిలి.

తెలిసిన తరంగదైర్ఘ్యం యొక్క ఫోటాన్ ఒక లోహం యొక్క ఉపరితలంపై తాకుతుందని అనుకుందాం, దాని కోసం పని ఫంక్షన్ (లోహం నుండి ఎలక్ట్రాన్ యొక్క) తెలిసినది. ఈ సందర్భంలో, ఇచ్చిన లోహం నుండి విడుదలయ్యే ఎలక్ట్రాన్ యొక్క గతిశక్తిని సులభంగా కనుగొనవచ్చు, అలాగే దాని వేగాన్ని కూడా కనుగొనవచ్చు.

ఎలక్ట్రాన్ పని పనితీరును నిర్వహించడానికి ఫోటాన్ యొక్క శక్తి సరిపోకపోతే, ఎలక్ట్రాన్ కేవలం ఇచ్చిన లోహం యొక్క ఉపరితలం నుండి బయటపడదు మరియు ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ ఏర్పడదు.

1924 లో, ఒక ఫ్రెంచ్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త లూయిస్ డి బ్రోగ్లీ దాని ప్రకారం ఒక పురోగతి ఆలోచనను ముందుకు తెచ్చారు కాంతి యొక్క ఫోటాన్లు మాత్రమే కాకుండా ఎలక్ట్రాన్లు కూడా తరంగాల వలె ప్రవర్తించగలవు. శాస్త్రవేత్త ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఊహాత్మక తరంగదైర్ఘ్యం కోసం ఒక సూత్రాన్ని కూడా పొందాడు. ఈ తరంగాలను తరువాత "డి బ్రోగ్లీ తరంగాలు" అని పిలిచారు.

డి బ్రోగ్లీ యొక్క పరికల్పన తరువాత నిర్ధారించబడింది. ఎలక్ట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్‌పై భౌతిక శాస్త్ర ప్రయోగం, 1927లో అమెరికన్ శాస్త్రవేత్తలు క్లింటన్ డేవిసన్ మరియు లెస్టర్ జెర్మెర్ చేత నిర్వహించబడింది, చివరకు ఎలక్ట్రాన్ యొక్క తరంగ స్వభావాన్ని ఎత్తి చూపింది.

ఒక ప్రత్యేక పరమాణు నిర్మాణం ద్వారా ఎలక్ట్రాన్ల పుంజం దర్శకత్వం వహించినప్పుడు, డిటెక్టర్ చిత్రాన్ని ఒకదాని తర్వాత ఒకటి ఎగురుతున్న కణాలుగా రికార్డ్ చేసి ఉండాలని అనిపిస్తుంది, ఇది ఎలక్ట్రాన్లు కణాలు అయితే తార్కికంగా అంచనా వేయబడుతుంది.

కానీ ఆచరణలో మనకు వేవ్ డిఫ్రాక్షన్ యొక్క చిత్ర లక్షణం ఉంది. అంతేకాకుండా, ఈ తరంగాల పొడవులు డి బ్రోగ్లీ ప్రతిపాదించిన భావనకు పూర్తిగా అనుగుణంగా ఉంటాయి.

అంతిమంగా, డి బ్రోగ్లీ యొక్క ఆలోచన బోర్ యొక్క పరమాణు నమూనా యొక్క సూత్రాన్ని వివరించడం సాధ్యం చేసింది మరియు తరువాత ఈ ఆలోచనలను సాధారణీకరించడం మరియు ఆధునిక క్వాంటం భౌతిక శాస్త్రానికి పునాదులు వేయడం ఎర్విన్ ష్రోడింగర్‌కు సాధ్యమైంది.