Bài 10: Lưỡng Tính Sóng Hạt | Chuyên đề học tập Vật lí 12 | Chuyên đề 3: Vật Lí Lượng Tử - Lớp 12 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

Trang 56

I. HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ

Khi ta đặt một nguồn sáng điểm S trước một hộp kín có lỗ tròn nhỏ O (Hình 10.1), chùm sáng qua lỗ nhỏ O sẽ tạo thành các vòng sáng tròn đường kính D' trên thành đối diện với lỗ O của hộp. Vòng sáng D' lớn hơn so với miền tròn D khi ánh sáng truyền thẳng do ở mép lỗ O đường truyền của ánh sáng đã có sự sai lệch so với sự truyền thẳng.

Hiện tượng truyền sai lệch so với sự truyền thẳng quan sát được ở gần mép những vật cản trên đường truyền của các tia sáng được gọi là hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Hiện tượng nhiễu xạ cũng xảy ra với các loại bức xạ điện từ khác (Hình 10.2).

Hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ chỉ giải thích được dựa trên mô hình sóng và là bằng chứng cho tính chất sóng của bức xạ điện từ.

II. GIẢ THUYẾT DE BROGLIE

Vào năm 1924, Louis de Broglie (Lu-uýt đơ Brơi) cho rằng các electron chuyển động trong không gian có tính chất sóng. Một electron có vecto động lượng sẽ có bước sóng λ bằng:

(10.1)

Ở đây h = 6,626.10 (J.s) là hằng số Planck.

Louis de Broglie cho rằng tương tự như electron, mọi hạt vật chất đều có tính chất sóng, tức là chúng luôn có lưỡng tính sóng hạt. Bước sóng của các hạt vật chất được xác định theo công thức (10.1). Nhận định trên được gọi là giả thuyết de Broglie về lưỡng tính sóng hạt của vật chất.

Hình 10.3. Louis de Brolglie (1892 - 1987), nhà vật lí người Pháp

Hoạt động

1. Một chùm electron được phóng ra khỏi ống phóng tia điện tử với tốc độ của mỗi electron bằng 25 000 m/s. Hãy xác định bước sóng của mỗi electron trong chùm electron trên.

2. Chứng minh rằng, khi hai vật chuyển động với cùng tốc độ, vật nào có khối lượng lớn hơn sẽ có bước sóng de Broglie nhỏ hơn.

Trang 57

III. HIỆN TƯỢNG NHIỄU XẠ ELECTRON

Năm 1927, Clinton Joseph Davisson (Đa-vít-xơn) và Lester Halbert Germer (Ghe-mơ) đã tiến hành thí nghiệm xác định được nhiễu xạ của chùm electron khi đập vào tinh thể nickel (Hình 10.4).

Chùm electron được phát từ một nguồn (3) nhờ phương pháp phát xạ nhiệt electron. Sau khi được tăng tốc khi qua điện trường (4), chùm hạt electron (5) tới đập vào tinh thể nickel (6) và xuất hiện hiện tượng tán xạ. Chùm electron tán xạ (7) sẽ được đo bởi máy đếm hạt (8) giúp ta xác định được số electron tán xạ trong một đơn vị thời gian theo từng phương θ.

Kết quả cho thấy số electron tán xạ trong một đơn vị thời gian đo được theo từng phương là khác nhau. Có những phương cho giá trị cực đại xen kẽ với những phương cho giá trị cực tiểu. Chùm tia electron tán xạ trên các tinh thể nickel cho thấy có hiện tượng nhiễu xạ.

Chùm electron có năng lượng xác định khi chiếu qua màng than chì trong ống nhiễu xạ electron (như Hình 10.5) sẽ tạo ra được hình ảnh nhiễu xạ trên màn phosphorus tương tự như hình ảnh nhiễu xạ của bức xạ điện từ trong Hình 10.2. Vì vậy, chùm electron có tính chất sóng.

IV. BÀI TẬP VÍ DỤ

1. Nguồn điện; 2. Biến trở; 3. Nguồn phát electron; 4. Điện trường tăng tốc; 5. Chùm electron tới; 6. Tinh thể nickel; 7. Chùm electron tán xạ; 8. Ống đếm hạt.

Hình 10.4. Mô hình thí nghiệm nhiễu xạ sóng de Broglie của chùm hạt electron do Davisson và Germer thực hiện năm 1927

Chú ý

Chùm electron bật ra khỏi cathode trong ống nhiễu xạ electron như Hình 10.5 với các tốc độ khác nhau. Nếu một electron có tốc độ ban đầu v₀ ≈ 0 sau đó được tăng tốc bởi điện trường giữa A và K có hiệu điện thế thay đổi trong khoảng từ 1 đến 5 kV. Tính tốc độ và từ đó tính bước sóng de Broglie của electron khi hiệu điện thế tăng tốc được đặt ở mức tối đa.

Hình 10.5. Mô hình ống nhiễu xạ electron

Cathode

Anode

Màng than chì

Màn phosphorus

Giải:

Động năng của electron sau khi qua điện trường tăng tốc có giá trị bằng:

Từ đó ta tính được tốc độ của electron sau khi được tăng tốc:

.

Áp dụng công thức (10.1) ta tính được bước sóng de Broglie của mỗi electron:

.

Trang 58

Hoạt động

Một con báo nặng 50 kg đang chạy với tốc độ 72 km/h để đuổi theo con mồi. Xác định bước sóng de Broglie của con báo. Hãy so sánh tính chất sóng của con báo với tính chất sóng của electron ở trong bài tập ví dụ trên.

EM CÓ BIẾT?

Sự nhiễu xạ của chùm electron đã được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc vật chất:

Sự nhiễu xạ của các electron được sử dụng để khám phá sự sắp xếp của các nguyên tử trong kim loại hay cấu trúc của các phân tử phức tạp như DNA. Khi đó các electron cần được gia tốc đến tốc độ phù hợp sao cho bước sóng của chúng vào cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử, khoảng 10

Các electron có tốc độ cao từ máy gia tốc hạt đã được sử dụng để xác định đường kính của hạt nhân nguyên tử. Bước sóng de Broglie của chúng cần đạt được cỡ 10 m tương ứng với kích thước của hạt nhân nguyên tử.

EM ĐÃ HỌC

• Giao thoa và nhiễu xạ là bằng chứng cho tính chất sóng của bức xạ điện từ.

• Giả thuyết de Broglie: Các electron chuyển động trong không gian có tính chất sóng. Một electron có vectơ động lượng sẽ có bước sóng λ bằng:

• Lưỡng tính sóng hạt là thuộc tính của mọi vật chất.

EM CÓ THỂ

• Tính được bước sóng de Broglie của mọi vật khi biết động lượng của chúng.

• Giải thích được hiện tượng nhiễu xạ của chùm electron.

• Giải thích được lưỡng tính sóng hạt của mọi vật xung quanh.