background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-1 

Wykład 34 

34. Fale i cząstki 

34.1 

Fale materii 

Omawiane  na  poprzednich  wykładach  doświadczenia  były  interpretowane  raz 

w oparciu o obraz falowy (np. dyfrakcja) innym razem w oparciu o model cząsteczkowy 
(np. efekt Comptona). 
Jeżeli światło ma dwoistą falowo-cząsteczkową naturę, to być może materia też ma taką 
dwoistą  naturę.  Taką  sugestię  zaprezentował  w  1924  L. de Broglie  min.  w  oparciu  ob-
serwację, że Wszechświat składa się wyłącznie ze światła i materii oraz że pod wieloma 
względami  przyroda  jest  zadziwiająco  symetryczna.  Chociaż  materię  traktowano  jako 
cząstki  de  Broglie  zasugerował,  że  należy  zbadać  czy  materia  nie  wykazuje  również 
własności falowych. 

De Broglie nie tylko zaproponował istnienie fal materii ale również przewidział ich 

długość.  Założył,  że  długość  przewidywanych  fal  materii  jest  określona  tym  samym 
związkiem, który stosuje się do światła. 

Analizując  zderzenie  fotonu  z  elektronem  (efekt  Comptona)  zastosowano  do  tego 

zderzenia zasadę zachowania pędu. Do tych obliczeń potrzebne było wyrażenie na 

pęd 

fotonu

 

 

λ

λ

h

c

hc

c

hv

c

E

mc

p

f

=

=

=

=

=

 

(34.1) 

 
Analogiczne wyrażenie zostało zaproponowane przez de Broglia dla fal materii 
 

 

p

h

=

λ

 

(34.2) 

 
Wyrażenie to wiąże teraz pęd cząstki materialnej z długością przewidywanych fal mate-
rii. 

Przykład 1 

Jaką długość fali przewiduje równanie (34.2) dla obiektów „masywnych” np. dla piłki, o 
masie  1  kg,  poruszającej  się  z  prędkością  10  m/s,  a  jaką  dla  „lekkich”  np.  elektronów 
przyspieszonych napięciem 100 V? 
Dla piłki p= mv = 1 kg·10 m/s = 10 kg m/s 
Stąd długość fali de Broglie’a 
 

m

10

6

.

6

kgm/s

10

Js

10

6

.

6

35

34

=

=

=

p

h

λ

 

 
Ta wielkość jest praktycznie równa zeru zwłaszcza w porównaniu z rozmiarami obiektu. 
Doświadczenia  prowadzone  na  takim  obiekcie  nie  pozwalają  więc  na  rozstrzygnięcie 
czy  materia  wykazuje  własności  falowe  (

λ

  zbyt  mała).  Przypomnijmy,  że  falowy  cha-

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-2 

rakter światła  przejawia  się gdy wymiary liniowe obiektów są porównywalne z długo-
ścią fali. 
Natomiast elektrony przyspieszone napięciem 100 V uzyskują energię kinetyczną 
 

E

k

 = eU = 100 eV = 1.6·10

-17

 J 

 
Prędkość jaką uzyskują elektrony wynosi 
 

s

m

10

9

.

5

kg

10

1

.

9

J

10

6

.

1

2

2

6

31

17

=

=

=

m

E

k

v

 

 
Odpowiednia długość fali de Broglie’a wynosi 
 

nm

12

.

0

m

10

2

.

1

s

m

kg

10

*

9

.

5

10

1

.

9

Js

10

6

.

6

10

6

31

34

=

=

=

=

=

v

m

h

p

h

λ

 

 
Jest to wielkość rzędu odległości między atomowych w ciałach stałych. 
Można  więc  zbadać  falową  naturę  materii  (tak  jak  promieni  Roentgena)  skierowując 
wiązkę  elektronów,  o odpowiedniej  energii,  na  kryształ.  Takie  doświadczenie  przepro-
wadzili w 1961 roku Davisson i Germer w USA oraz Thomson w Szkocji. Na rysunku 

przedstawiono schemat aparatury pomiarowej. 
Elektrony emitowane z ogrzewanego włókna przyspieszane są regulowanym napięciem. 
Wiązka  zostaje  skierowana  na  kryształ  niklu  a  detektor  jest  ustawiony  pod  pewnym 
szczególnym kątem 

ϕ. Natężenie wiązki ugiętej na krysztale jest odczytywane przy róż-

nych  napięciach  przyspieszających.  Okazuje  się,  że  prąd  w  detektorze  ujawnia  maksi-
mum dyfrakcyjne przy kącie równym 50° dla U = 54 V. 
Jeżeli  skorzystamy  z  prawa  Bragga możemy obliczymy wartość 

λ, dla której obserwu-

jemy maksimum w tych warunkach 
 

w

łókno

wi

ązka

padaj

ąca

wi

ązka

odbita

kryszta

ł

detektor

ϕ

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-3 

θ

λ

sin

2d

=

 

Dla  niklu  d  =  0.091  nm.  Ponieważ 

ϕ  =  50°  więc 

θ = 90° - ϕ/2 = 65° (rysunek obok). Długość fali ob-
liczona w oparciu o te dane wynosi: 
 

λ = 2·0.091 nm·sin65° = 0.165 nm 

 
Teraz w oparciu o znaną energię elektronów (54 eV) 
obliczymy długość fali de Broglie’a analogicznie jak 
w przykładzie 1 
 

nm

165

.

0

=

=

p

h

λ

 

 
Ta  doskonała  zgodność  stanowiła  argument  za  tym,  że  w  pewnych  okolicznościach 
elektrony wykazują naturę falową. 
Dzisiaj wiemy, że inne cząstki, zarówno naładowane jak i nienaładowane, wykazują ce-
chy charakterystyczne dla fal. Dyfrakcja neutronów jest powszechnie stosowaną techni-
ką eksperymentalną używaną do badania struktury ciał stałych. 
Tak więc, zarówno dla materii, jak i dla światła, musimy przyjąć istnienie dwoistego ich 
charakteru. 

34.2 

Struktura atomu i fale stojące 

Jeżeli  na  ruch  fali  nie  ma żadnych  ograniczeń to  fala  może  mieć dowolną długość. 

Inaczej sytuacja przedstawia się gdy ruch fal zostanie ograniczony przez nałożenie pew-
nych warunków fizycznych. Np. dla fal w strunie odpowiada to wyodrębnieniu odcinka 
struny zamocowanego na obu końcach (np. struna w skrzypcach).  
Występują wtedy dwie ważne różnice: 

• 

ruch jest teraz opisywany przez 

falę sto-

jącą 

(a nie bieżącą), 

• 

mogą  występować  tylko  pewne  długo-
ści fal tzn. mamy do czynienia 

kwan-

tyzacją

  długości  fali  wynikającą  z 

ograniczeń  nałożonych  na  falę  (rysunki 
obok). 

Na  rysunku  tych  widać trzy pierwsze stany 
kwantowe dla drgającej struny. 
Jeżeli więc ruch elektronów jest ograniczo-
ny  w  atomach  to  możemy  się  spodziewać 
przez analogię, że: 

• 

ruch elektronów może być opisany przez 

stojące fale materii

• 

ruch ten zostaje 

skwantowany

.  

 

ϕ

θ

d

l

0

n = 1

0

l

n = 3

0

l

n = 2

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-4 

Rysunek  obok  przedstawia  stojącą  falę  ma-
terii  związaną  z  orbitą  o  promieniu  r.  Dłu-
gość  fali  de  Broglie’a  została  dobrana  tak, 
aby orbita o promieniu r zawierała całkowitą 
liczbę n fal materii. 
Wtedy otrzymujemy 
 

λ

π

n

r

=

2

 

czyli 

p

h

n

r

=

π

2

 

 
Prowadzi to natychmiast do 

 

,....

3

,

2

,

1

2

=

=

=

n

h

n

pr

L

π

 

 
Warunek  kwantyzacji  Bohra  jest  teraz  konsekwencją  przyjęcia,  że  elektron  jest 
reprezentowany  przez  odpowiednią  falę  materii  i  zastosowania  odpowiednich 
warunków brzegowych. 

34.3 

Mechanika falowa 

W 1926 roku E. Schr

ödinger sformułował 

mechanikę falową

 (jedno ze sformułowań 

fizyki  kwantowej)  min.  w  oparciu  o  założenie,  że  stacjonarne  stany  w  atomach  odpo-
wiadają 

stojącym falom materii

Dla fal w strunie zaburzenie może być opisane za pomocą poprzecznego wychylenia y
dla fal elektromagnetycznych poprzez wektor natężenia pola elektrycznego E
Analogiczną miarą dla fal materii jest 

funkcja falowa 

ψ

Teraz spróbujemy znaleźć taką funkcję dla prostego zagadnienia ruchu cząstki o masie 
m pomiędzy sztywnymi ściankami odległymi o l (rysunek na następnej stronie). 
Funkcję  falową  można  otrzymać  przez  analogię do zagadnienia struny umocowanej na 
obu końcach. Z warunków brzegowych wynika, że na obu końcach struny muszą wystę-
pować węzły. Oznacza to (przez to żądanie) 

że długość fali jest skwantowana

 

...

,

2

,

1

2

lub

2

=

=

=

n

n

l

n

l

λ

λ

 

 

Zaburzenie falowe dla struny jest opisane przez falę stojącą (Wykład 15) 
 

y(x,t) = 2Asinkxcos

ωt 

 
dla której rozkład przestrzenny (amplitudy) jest dany przez 
 

y(x) = Asinkx 

 

r

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-5 

gdzie k = 2

π/λ. Ponieważ λ jest skwantowane to k też jest skwantowane. 

Prowadzi to do warunku 

,......

2

,

1

,

sin

=

=

n

l

x

n

A

y

π

 

 
Wykres tej funkcji dla n =1, 2, 3 pokazany jest na stronie 34-3. 

Rozważmy  teraz  cząstkę  poruszającą  się 
pomiędzy  sztywnymi  ściankami  (rysunek 
obok).  Ponieważ  ścianki  są  sztywne,  cząst-
ka nie może przeniknąć przez nie, tak więc 
stojąca fala materii opisująca tę cząstkę ma 
węzły  na  ściankach.  Inaczej  mówiąc  funk-
cja  falowa 

ψ  przyjmuje  wartość  zero  w 

punktach x = 0 i x = l
W  konsekwencji  dopuszczalne  fale  materii 
muszą mieć długość fal danych równaniem 
 

...

,

2

,

1

,

2

lub

2

=

=

=

n

n

l

n

l

λ

λ

 

 
Ponieważ  mówimy  o  fali  materii  (reprezentującej  cząstkę)  to  jest  to  po  prostu  fala  de 
Broglie’a, dla której możemy zastąpić 

λ przez h/p

Prowadzi to do związku 
 

l

nh

p

2

=

 

 
Widzimy, że 

pęd cząstki uwięzionej pomiędzy ściankami jest skwantowany

. 

Dla cząstki pęd p jest związany z energią kinetyczną E

k

 relacją 

 

m

p

m

E

k

2

2

2

2

=

=

v

 

 
Zestawienie  tego  równania  z równaniem na pęd cząstki prowadzi do warunku kwanty-
zacji energii 

......

,

2

,

1

,

8

2

2

2

=

=

n

ml

h

n

E

 

 
Cząstka nie może mieć dowolnej energii (jak w obrazie klasycznym) ale ściśle określo-
ne wartości dane powyższym równaniem. 
Amplituda fal materii zmienia się tak samo jak amplituda dla fali stojącej w strunie tzn. 
jest dana analogicznym równaniem: 
 

 

,......

2

,

1

,

sin

=

=

n

l

x

n

A

π

ψ

 

(34.3) 

l

m

v

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-6 

34.4 

Znaczenie funkcji 

ψ 

Funkcję 

ψ skonstruowaliśmy przez analogię do funkcji opisującej amplitudę fali sto-

jącej w strunie. Ale nie wyjaśniony jest jeszcze sposób w jaki 

ψ przedstawia ruch cząst-

ki.  Wiemy  już,  że  długość  fali  materii  (de  Broglie’a)  wiąże  się  bezpośrednio  z  pędem 
cząstki
. Pozostaje wyjaśnić z czym wiąże się 

ψ

Jako pierwszy fizyczną interpretację funkcji falowej podał Max Born. Zasugerował, że 

wielkość 

ψ

2

  w  dowolnym  punkcie  przedstawia  miarę  prawdopodobieństwa,  że  cząstka 

znajdzie się w pobliżu tego punktu tzn. w jakimś obszarze wokół tego punktu np. w prze-
dziale x, x+
dx

Ta  interpretacja  funkcji 

ψ  daje  statystyczny  związek  pomiędzy  falą  i  związaną  z  nią 

cząstką. Nie mówimy gdzie cząstka jest ale gdzie prawdopodobnie się znajdzie

Tak więc dla cząstki poruszającej się pomiędzy dwoma ściankami odległymi o l 
 

 

,......

2

,

1

,

sin

2

2

=

=

n

l

x

n

A

π

ψ

 

(34.4) 

 
nie opisuje położenia cząstki ale 

rozkład (gęstość) prawdopodobieństwa

 

Na  rysunku  przedstawiona  jest  za-
leżność 

ψ

2

(x) dla trzech pierwszych 

stanów ruchu cząstki. 
Zwróćmy  uwagę,  że  przykładowo 
dla  n = 1  cząsteczka  ma  większą 
tendencję (prawdopodobieństwo) do 
przebywania  w  środku  niż  przy 
ściankach. Jest to sprzeczne z fizyką 
klasyczną,  która  przewiduje  jedna-
kowe  prawdopodobieństwo  prze-
bywania  cząstki  gdziekolwiek  po-
między ściankami (linie poziome na 
rysunku).  Podobnie  jest  dla  wyż-
szych  n.  Oczywiście  całkowite 
prawdopodobieństwo 

znalezienia 

cząstki  pomiędzy  ściankami  jest 
równe jedności. 
Zagadnienie cząstki poruszającej się 
pomiędzy  sztywnymi  ściankami  ma 
mało  realne  zastosowanie  w  fizyce. 
Dlatego poniżej pokazane są wyniki 
zastosowania  mechaniki  falowej  do 
problemu atomu wodoru. 
Sam  problem  jest  trudny  matema-

tycznie. Dlatego pokazane są tylko wyniki zależności 

ψ(r) dla n = 1, 2, 3 dla orbitalnej 

liczby kwantowej l = 0, (rozkład sferycznie symetryczny). 

ψ

2

0

l

n = 2
E

2

 = 4E

1

X

0

l

n = 3
E

3

 = 9E

1

l

0

n = 1
E

1

 = h

2

 / 8ml

2

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-7 

Widać,  że  mamy  ponownie  do  czynie-
nia  z  rozkładem  prawdopodobieństwa. 
Istnieje obszar w którym elektron może 
przebywać  (z  niezerowym  prawdopo-
dobieństwem).  Mówimy  o 

orbitalach

 

zamiast o orbitach. 
Linią  przerywaną  zaznaczono  promie-
nie  orbit  przewidywane  w  modelu 
Bohra. 
Są, jak widać orbity dla których ta war-
tość  odpowiada  maksimum  prawdopo-
dobieństwa znalezienia elektronu. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

34.5 

Zasada odpowiedniości 

Chociaż teorie w fizyce mają ograniczenia to zazwyczaj w sposób ciągły dają wyniki 

coraz mniej zgodne od doświadczenia, tzn. nie „urywają” się nagle. 
Np. mechanika Newtonowska staje się coraz mniej dokładna gdy prędkość zbliża się do 
prędkości światła. 
Dla  mechaniki  kwantowej  też  istnieje  taka  granica.  Fizyka  kwantowa  przechodzi  w fi-
zykę klasyczną dla dużych liczb kwantowych. To twierdzenie nazywamy 

zasadą odpo-

wiedniości

W  przykładzie  z  wykładu  31  widzieliśmy,  że  dla  makroskopowego  wahadła  nie  uwi-
dacznia  się  natura  kwantowa  podobnie  jak  w  układach  makroskopowych  nie  widzimy 
dyskretnej natury materii (cząsteczek, atomów, elektronów itp.). 
Wyliczona wtedy względna zmiana energii wyniosła 
 

E/E = 4.7·10

-31

 = hv/nhv 

 
Stąd  otrzymujemy  bardzo  dużą  wartość  liczby  kwantowej  n 

  2·10

30

;  może  stosować 

mechanikę klasyczną. 
 

n =1

0

5

10

15

20

25

r/r

Bohra

n = 3

n = 2

ψ

(r

)

2

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-8 

34.6 

Zasada nieoznaczoności 

W  poprzednim  paragrafie  najbardziej  szczegółową  informacją  jaką  udało  się  uzy-

skać o ruchu elektronów były krzywe prawdopodobieństwa. Czy musimy zadowolić się 
taką informacją czy też jest możliwy pomiar, który da nam odpowiedź na temat ewentu-
alnych orbit po których poruszają się elektrony? 
Obserwacje przedmiotów opierają się na rejestrowaniu światła odbitego przez te przed-
mioty. Światło w „zderzeniu” z przedmiotem o dużej masie praktycznie nie zaburza je-
go ruchu, ale całkiem inną sytuację mamy w przypadku elektronów. Tutaj też spodzie-
wamy się, że zobaczymy elektron gdy odbijemy od niego światło (tak jak widzimy np. 
stół rejestrując światło odbite od niego). W tym jednak przypadku elektron w zderzeniu 
z fotonem dozna odrzutu, który całkowicie zmieni jego ruch (przypomnijmy sobie efekt 
Comptona).  Zmiany  tej  nie  można  uniknąć  ani  dokładnie  ocenić.  Gdyby  więc  istniały 
orbity to byłyby one całkowicie niszczone przy próbie pomiarów mających potwierdzić 
ich istnienie. Dlatego wolimy mówić o prawdopodobieństwie niż o orbitach. 

Aby  przetestować  nasze  możliwości  pomiarowe  rozważmy  wiązkę  elektronów  pa-

dających z prędkością v

0

 na szczelinę o szerokości 

y, tak jak na rysunku.  

Jeżeli  elektron  przechodzi  przez  otwór  to  znamy  jego  położenie  z  dokładnością 

x

Elektrony ulegają ugięciu na szczelinie tak, że na ekranie obserwujemy obraz dyfrakcyj-
ny.  Oznacza  to,  że  elektrony  mają  teraz  oprócz  prędkości  poziomej  także  składową 
w kierunku y (są odchylone). Spróbujmy ocenić tę składową pionową prędkości. Rozpa-
trzmy  np.  elektron  padający  na  ekran  w  miejscu  pierwszego  minimum  dyfrakcyjnego 
(punkt a na rysunku poniżej). Pierwsze minimum jest dane równaniem 
 

ysin

θ = λ 

a dla małego kąta 

y 

θ 

 

λ 

 

Aby  elektron  doleciał  do  punkt  a  (1-sze  minimum)  musi  mieć  prędkość  pionową 

v

y

 

taką, że 

0

sin

v

v

y

=

θ

θ

 

 
Korzystając z obu powyższych równań otrzymujemy 

v

0

y

θ

a

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

34-9 

y

y

=

λ

0

v

v

 

lub inaczej 

v

y

y = 

λv

0

 

 
Długość  fali  wiązki  elektronowej  jest  dana  przez  h/p  czyli  h/mv

0

.  Podstawiając  to  do 

ostatniego równania otrzymujemy 
 

0

0

v

v

v

m

h

y

y

 

co można zapisać 

p

y

y 

 h 

 
Jeżeli chcemy poprawić pomiar y (zmniejszyć 

y) to w wyniku zmniejszenia szerokości 

szczeliny  otrzymujemy  szersze  widmo  dyfrakcyjne  (mocniejsze  ugięcie).  Inaczej  mó-
wiąc  zwiększone  zostało 

p

y

.  Równani  to  przedstawia  ograniczenie  nałożone  na  do-

kładność  pomiarów  przez  przyrodę  (nie ma nic wspólnego z wadami aparatury pomia-
rowej). 
Równanie  to  jest  szczególnym  przypadkiem  ogólnej  zasady  podanej  przez 
W. Heisenberga znanej jako 

zasada nieoznaczoności

W zastosowaniu do pomiaru pędu i położenia głosi ona, że 
 

 

h

z

p

h

y

p

h

x

p

z

y

x

 

(34.5) 

 
Tak więc żadna składowa ruchu elektronu nie może być określona z nieograniczoną do-
kładnością. Ta sama zasada obowiązuje w odniesieniu do energii i czasu.