ઇલેક્ટ્રોન તરંગોની જેમ વર્તે છે

ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ લાંબા સમયથી જાણે છે કે પ્રકાશ એ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ છે. આજની તારીખમાં, કોઈને આ સ્થિતિ પર શંકા નથી, કારણ કે પ્રકાશ તરંગ વર્તનના તમામ ચિહ્નો સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે: પ્રકાશ તરંગો એકબીજાને ઓવરલેપ કરી શકે છે, એક દખલગીરી પેટર્ન પેદા કરે છે, તેઓ વિવર્તન સમય સાથે અવરોધોની આસપાસ વળાંકને અલગ કરવામાં પણ સક્ષમ છે.

જ્યારે આપણે પક્ષીને બતકની જેમ ચાલતા, બતકની જેમ તરવા અને બતકની જેમ કચકચ કરતા જોઈએ છીએ, ત્યારે આપણે તે પક્ષીને બતક કહીએ છીએ. તેથી પ્રકાશ છે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગપ્રકાશમાં આવી તરંગની વર્તણૂકના નિરપેક્ષપણે અવલોકન કરાયેલા ચિહ્નોના આધારે.

જો કે, 19મી અને 20મી સદીના અંતમાં, ભૌતિકશાસ્ત્રીઓએ પ્રકાશના "પાર્ટિકલ-વેવ ડ્યુઅલિઝમ" વિશે વાત કરવાનું શરૂ કર્યું. તે તારણ આપે છે કે પ્રકાશ એ ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક તરંગ છે તે જ્ઞાન પ્રકાશ વિશે વિજ્ઞાન જાણતું નથી. વૈજ્ઞાનિકોએ પ્રકાશમાં એક ખૂબ જ રસપ્રદ લક્ષણ શોધી કાઢ્યું છે.

તે તારણ આપે છે કે પ્રકાશ કોઈક રીતે કણોના પ્રવાહના વર્તન તરીકે પોતાને પ્રગટ કરે છે.એવું જાણવા મળ્યું હતું કે પ્રકાશ દ્વારા વહન કરવામાં આવતી ઊર્જા, વિશિષ્ટ ડિટેક્ટર દ્વારા ચોક્કસ સમયગાળામાં ગણતરી કર્યા પછી, કોઈપણ રીતે વ્યક્તિગત (સંપૂર્ણ) ટુકડાઓમાંથી બનેલી હોવાનું બહાર આવ્યું છે.

તેથી, તે સાચું બન્યું કે પ્રકાશની ઊર્જા અલગ છે, કારણ કે તે બનેલી છે, જેમ કે તે વ્યક્તિગત કણો - "ક્વોન્ટા", એટલે કે, ઊર્જાના નાનામાં નાના સંપૂર્ણ ભાગોમાંથી. પ્રકાશના આવા કણ, ઊર્જાના એકમ (અથવા ક્વોન્ટમ) વહન કરે છે, તેને ફોટોન કહેવામાં આવે છે.

એક ફોટોનની ઉર્જા નીચેના સૂત્ર દ્વારા જોવા મળે છે:

E — ફોટોન એનર્જી, h — પ્લાન્કનો કોન્સ્ટન્ટ, v — આવર્તન.

જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી મેક્સ પ્લાન્કે સૌપ્રથમ પ્રાયોગિક ધોરણે પ્રકાશ તરંગની વિવેકબુદ્ધિની હકીકત સ્થાપિત કરી અને સતત h ના મૂલ્યની ગણતરી કરી, જે વ્યક્તિગત ફોટોનની ઊર્જા શોધવા માટેના સૂત્રમાં દેખાય છે. આ મૂલ્ય બહાર આવ્યું: 6.626 * 10-34 J * s. પ્લેન્કે 1900 ના દાયકાના અંતમાં તેમના કામના પરિણામો પ્રકાશિત કર્યા.

ઉદાહરણ તરીકે, જાંબલી કિરણને ધ્યાનમાં લો. આવા પ્રકાશની આવર્તન (f અથવા v) 7.5 * 1014 Hz પ્લાન્કની સ્થિરતા (h) 6.626 * 10-34 J * s છે. આનો અર્થ એ છે કે ફોટોનની ઊર્જા, (E), રંગ વાયોલેટની લાક્ષણિકતા, 5 * 10-19 J છે. આ ઊર્જાનો એટલો નાનો ભાગ છે કે તેને પકડવો ખૂબ જ મુશ્કેલ છે.

પર્વતીય પ્રવાહની કલ્પના કરો - તે એક એકમ તરીકે વહે છે, અને તે નરી આંખે જોવું અશક્ય છે કે પ્રવાહ ખરેખર વ્યક્તિગત પાણીના અણુઓથી બનેલો છે. આજે, જો કે, આપણે જાણીએ છીએ કે મેક્રોસ્કોપિક પદાર્થ-પ્રવાહ-વાસ્તવમાં અલગ છે, એટલે કે, તે વ્યક્તિગત પરમાણુઓ ધરાવે છે.

આનો અર્થ એ છે કે જો આપણે પ્રવાહની બાજુમાં પાણીના અણુઓની ગણતરી કરવા માટે સ્ટ્રીમની બાજુમાં એક પરમાણુ કાઉન્ટર મૂકી શકીએ છીએ, તો ડિટેક્ટર હંમેશા પાણીના અણુઓની સંપૂર્ણ સંખ્યાની ગણતરી કરશે, આંશિક નહીં.

એ જ રીતે, ફોટોન E ની કુલ ઉર્જાનો આલેખ, t સમયે ગણવામાં આવે છે — તે હંમેશા રેખીય (પીળી આકૃતિ) નહીં, પરંતુ સ્ટેપવાઇઝ (લીલી આકૃતિ) તરીકે બહાર આવશે:

તેથી, ફોટોન ખસેડે છે, તેઓ ઊર્જા વહન કરે છે, તેથી તેમની પાસે વેગ છે. પરંતુ ફોટોન પાસે કોઈ દળ નથી. તો પછી તમે ગતિ કેવી રીતે શોધી શકો?

વાસ્તવમાં, પ્રકાશની ઝડપની નજીકની ઝડપે આગળ વધતા પદાર્થો માટે, શાસ્ત્રીય સૂત્ર p = mv ફક્ત અયોગ્ય છે. આ અસામાન્ય કિસ્સામાં ગતિ કેવી રીતે શોધવી તે સમજવા માટે, ચાલો વિશેષ સાપેક્ષતા તરફ વળીએ:

1905 માં, આલ્બર્ટ આઈન્સ્ટાઈને આ દૃષ્ટિકોણથી સમજાવ્યું ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર… આપણે જાણીએ છીએ કે ધાતુની પ્લેટની અંદર ઈલેક્ટ્રોન હોય છે, જે તેની અંદર અણુઓના ધન ચાર્જ કરેલ ન્યુક્લી દ્વારા આકર્ષાય છે અને તેથી તે ધાતુમાં જળવાઈ રહે છે. પરંતુ જો તમે ચોક્કસ આવર્તનના પ્રકાશ સાથે આવી પ્લેટને ચમકાવશો, તો પછી તમે પ્લેટમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને પછાડી શકો છો.

એવું લાગે છે કે પ્રકાશ વેગ સાથેના કણોના પ્રવાહની જેમ વર્તે છે. અને ફોટોન પાસે કોઈ દળ ન હોવા છતાં પણ તે કોઈક રીતે ધાતુમાં રહેલા ઈલેક્ટ્રોન સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે અને અમુક પરિસ્થિતિઓમાં ફોટોન ઈલેક્ટ્રોનને પછાડી શકે છે.

તેથી જો પ્લેટ પરની ફોટોન ઘટનામાં પૂરતી ઉર્જા હોય, તો ઇલેક્ટ્રોન ધાતુમાંથી પછાડવામાં આવશે અને વેગ v સાથે પ્લેટની બહાર જશે. આવા નૉક આઉટ ઇલેક્ટ્રોનને ફોટોઇલેક્ટ્રોન કહેવામાં આવે છે.

નૉક આઉટ ઇલેક્ટ્રોન પાસે જાણીતું દળ m હોવાથી, તેની પાસે ચોક્કસ ગતિ ઊર્જા mv હશે.

ફોટોનની ઉર્જા, જ્યારે તે ધાતુ પર કામ કરે છે, ત્યારે તે ધાતુમાંથી ઈલેક્ટ્રોનના બહાર નીકળવાની ઉર્જા (વર્ક ફંક્શન)માં અને ઈલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જામાં રૂપાંતરિત થાય છે, જેની પાસે નૉક-આઉટ ઇલેક્ટ્રોન ખસેડવાનું શરૂ કરે છે. ધાતુની બહાર, તેને છોડીને.

ધારો કે જાણીતી તરંગલંબાઇનો ફોટોન ધાતુની સપાટી પર પ્રહાર કરે છે જેના માટે કાર્ય કાર્ય (ધાતુમાંથી ઇલેક્ટ્રોનનું) જાણીતું છે. આ કિસ્સામાં, આપેલ ધાતુમાંથી ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ ઊર્જા, તેમજ તેનો વેગ સરળતાથી શોધી શકાય છે.

જો ફોટોનની ઉર્જા ઇલેક્ટ્રોન માટે કાર્ય કાર્ય કરવા માટે પૂરતી ન હોય, તો ઇલેક્ટ્રોન ફક્ત આપેલ ધાતુની સપાટીને છોડી શકતું નથી અને ફોટોઈલેક્ટ્રોનનું નિર્માણ થતું નથી.

1924 માં, એક ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી લુઈસ ડી બ્રોગ્લી જે મુજબ એક પ્રગતિશીલ વિચાર આગળ ધપાવો માત્ર પ્રકાશના ફોટોન જ નહીં પરંતુ ઇલેક્ટ્રોન પોતે તરંગોની જેમ વર્તે છે. વૈજ્ઞાનિકે ઇલેક્ટ્રોનની કાલ્પનિક તરંગલંબાઇ માટે એક સૂત્ર પણ મેળવ્યું. આ તરંગોને પછીથી "ડી બ્રોગ્લી તરંગો" કહેવામાં આવ્યાં.

ડી બ્રોગ્લીની પૂર્વધારણાની પાછળથી પુષ્ટિ થઈ. અમેરિકન વૈજ્ઞાનિકો ક્લિન્ટન ડેવિસન અને લેસ્ટર જર્મર દ્વારા 1927 માં હાથ ધરવામાં આવેલા ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન પર ભૌતિકશાસ્ત્રના પ્રયોગમાં આખરે ઇલેક્ટ્રોનની તરંગ પ્રકૃતિ દર્શાવવામાં આવી હતી.

જ્યારે ઇલેક્ટ્રોનના બીમને વિશિષ્ટ અણુ બંધારણ દ્વારા નિર્દેશિત કરવામાં આવ્યા હતા, ત્યારે એવું લાગે છે કે ડિટેક્ટરે એક પછી એક ઉડતા કણો તરીકે ચિત્રને રેકોર્ડ કરવું જોઈએ, જે તાર્કિક રીતે અપેક્ષિત હશે જો ઇલેક્ટ્રોન કણો હોત.

પરંતુ વ્યવહારમાં આપણી પાસે તરંગ વિવર્તનની એક ચિત્ર લાક્ષણિકતા છે. તદુપરાંત, આ તરંગોની લંબાઈ ડી બ્રોગ્લી દ્વારા પ્રસ્તાવિત ખ્યાલ સાથે સંપૂર્ણપણે સુસંગત છે.

આખરે, ડી બ્રોગલીના વિચારે બોહરના અણુ મોડેલના સિદ્ધાંતને સમજાવવાનું શક્ય બનાવ્યું અને પાછળથી એર્વિન શ્રોડિન્ગર માટે આ વિચારોનું સામાન્યીકરણ કરવાનું અને આધુનિક ક્વોન્ટમ ભૌતિકશાસ્ત્રનો પાયો નાખવાનું શક્ય બન્યું.