Światło ma podwójną naturę:

Transkrypt

1 Światło ma podwójną naturę: przejawia własności fal i cząstek W. C. Roentgen ( Nobel 1901) Istnieje ciągłe przejście pomiędzy tymi własnościami wzdłuż spektrum fal elektromagnetycznych Dla niskich częstości (fale radiowe) fotony mają znikomo małą energię i własności falowe dominują. Zakres optyczny: fale/cząstki Dla wysokich częstości (promienie Roentgena, gamma) dominują własności cząstkowe promieniowania (pojedyncze fotony) Promienie Roentgena - odkrycie i wytwarzanie - własności (promieniowanie ciągłe i dyskretne) - prawo Moseleya: uporządkowanie układu okresowego Mendelejewa - zastosowanie promieni Roentgena do badania struktur periodycznych (prawo Bragga) M. Mulak 1

2 M. Mulak 2

3 M. Mulak 3

4 Wykorzystanie promieni Roentgena do badań struktury kryształów: własności falowe M. Mulak 4

5 Obraz dyfrakcyjny Lauego M. Mulak 5

6 Idea dyfrakcji Bragga n λ = 2d sinθ n λ = 2d sinθ d = odległość pomiędzy płaszczyznami sieci λ θ = długość fali = kąt odbicia λ 0.1 nm (odległości warstw międzyatomowych) E kev M. Mulak 6

7 Max von Laue: falowy charakter promieni X dyfrakcja na krysztale Braggowie ojciec i syn rozpraszanie promieni X można sobie wyobrazić jako odbicie od płaszczyzn sieciowych zastosowanie do określania struktury atomowej Nagroda Nobla 1915 Zdjęcie rentgenowskie DNA (Rosalind Franklin, 1952) decydujący dowód na strukturę podwójnej helisy William & Lawrence Bragg M. Mulak 7

8 Opalizacja efekt Bragga dla składowych światła białego na makromolekułach Światło jako cząstki Ubarwienie motyli Wiekszość barw różnego rodzaju pigmenty zawartych w łuskach na skrzydłach. Wyjątki: tropikalne Morpho i polskie mieniaki Efekt fotoeketryczny Łuski przezroczyste - barwa powstaje w skutek interferencji fal świetlnych (barwy strukturalne) M. Mulak 8

9 Efekt Comptona Własności światła zależą od eksperymentu: - propagacja światła: fala Klasycznie: ta sama częstotliwość (długość fali) Teoria kwantowa: fala rozproszona dłuższa! - oddziaływanie z materią: fotony p = h λ E = hf M. Mulak 9

10 Falowa natura cząstek Mechanika falowa Funkcja falowa Ψ(x) i jej interpretacja Louis-Victor de Broglie, the 7th Duke de Broglie, ( ) p = h λ From: Harris Benson, University Physics Zasada nieoznaczoności Heisenberga M. Mulak 10

11 Fale materii (de Broglie a) L.V. de Broglie ( ) Nagroda Nobla 1929 (rozprawa doktorska) Natura kocha symetrię Światło natura dualistyczna Materia również! Elektrony, protony jako cząstki przejawiają własności falowe Dualna natura światła koncepcja fotonu E hf p = = = c c h λ hipoteza de Broglie a czysto teoretyczna! Wkrótce potwierdzona doświadczalnie: λ, λ = f E = h = p hf h mv długość fali cząstki energia cząstki 1927 Davisson, Germer; (Bell Telephone Lab.) odbijanie wiązki elektronów od niklowej tarczy obraz dyfrakcyjny jak dla prom. X (1921, Debye, Sherrer) 1928 G.P. Thomson; dyfrakcja elektronów na cienkiej polikrystalicznej folii metalowej * J.J. Thomson odkrycie elektronu (1898) M. Mulak 11

12 Fala stojąca l λ = n 2 Długość struny = całkowita wielokrotność połówek fali M. Mulak 12

13 Początek rewolucji Heisenberg, Schroedinger, Dirac, Born Funkcja falowa cząstki elektron = fala stojąca rozpięta na orbicie Bohra zasada komplementarności: własności falowe i cząstkowe uzupełniają się 2π r = nλ h λ = mv 2π r = nh mv mvr nh = = nh 2π 3 postulat Bohra! interesujący związek z modelem Bohra warunek kwantowania L = mvr = nh n = 1,2,3,... Obraz falowo-mechaniczny naturalnie prowadzi do kwantyzacji L M. Mulak 13

14 Louis de Broglie (1923): materia przejawia również dualizm falowo korpuskularny, podobnie jak światło. Długość fal materii jest bardzo mała (poza zasięgiem eksperymentu!) Dyfrakcja elektronów (neutronów) dopiero na poziomie atomowym. Doświadczenie Davissona i Germera (dyfrakcja i interferencja fal elektronowych). Promienie Roentgena elektrony From: Harris Benson, University Physics M. Mulak 14

15 Cząstki jako fale dyfrakcja elektronów (doświadczenie z dwoma szczelinami) From: Harris Benson, University Physics M. Mulak 15