Politechnika Warszawska
Wydział Fizyki
Laboratorium Fizyki I P
37
Andrzej Kubiaczyk
DYFRAKCJA ELEKTRONÓW I ŚWIATAA NA SIECI KRYSTALICZNEJ
1. Podstawy fizyczne
Podane przez A. Einsteina w 1905 roku wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego jak
równie\ zaobserwowane w 1923 roku zjawisko rozpraszania promieni X na swobodnych
elektronach zmieniło radykalnie nasze poglądy na naturę fal elektromagnetycznych.
Fale elektromagnetyczne, chocia\ wykazują własności charakterystyczne dla ruchu
falowego (dyfrakcja, interferencja itp.), w oddziaływaniu z elektronem zachowują się jak
strumień cząstek (fotonów), których energia jest równa h (h - stała Plancka, - częstotliwość
fali świetlnej) a pęd p wynosi:
h h
p = = , (1)
c
gdzie c prędkość fali światła, - długość fali.
Nie mo\na stwierdzić, \e natura fotonów jest falowa lub, \e jest korpuskularna a
jedynie, \e wykazują one cechy zarówno falowe jak i korpuskularne. Ten sposób ich
zachowania określa się jako dualizm korpuskularno falowy.
W 1924 roku Louis de Broglie przedstawił hipotezę, zgodnie z którą ka\dej cząstce
mo\na przypisać falę o długości:
h
= (2)
p
gdzie p jest pędem cząstki.
Oznacza to, \e w pewnych warunkach poruszającą się cząstkę mo\na traktować jak
falę. Falę taką nazywamy falą materii lub falą de Broglie a.
Warto zwrócić uwagę, \e równanie (2) otrzymać mo\na przekształcając wzór (1).
Nie jest to zbie\ność przypadkowa. U podstaw hipotezy de Broglie a tkwi bowiem zało\enie,
\e dualizm korpuskularno falowy jest podstawową własnością całej materii, a więc
zarówno fotonów (o masie spoczynkowej równej zeru!) jak i cząstek korpuskularnych (o masie
spoczynkowej ró\nej od zera). Aby sprawdzić słuszność hipotezy de Broglie a nale\y
doświadczalnie wykazać, \e cząstki podlegają zjawiskom charakterystycznym dla ruchu
falowego np. zjawisku interferencji lub dyfrakcji, spełniając przy tym zale\ność (2).
Aby zaobserwować zjawisko interferencji, nale\y u\yć siatki dyfrakcyjnej, której stała
(tzn. odległość pomiędzy szczelinami) nie ró\ni się znacząco od długości padającego
promieniowania (nie więcej ni\ dwa rzędy wielkości). Jednocześnie cząstki, aby mogły
przenikać przez bardzo cienkie warstwy materii, powinny posiadać znaczną energię. Wtedy ich
pęd będzie du\y i zgodnie ze wzorem (2) długość fali de Broglie a stanie się bardzo mała. To
z kolei narzuca warunek na bardzo małą wartość stałej siatki dyfrakcyjnej, znacznie mniejszą
od mo\liwych do wykonania.
Dla przykładu: elektrony, aby przeniknąć folię aluminiową o grubości około 50 nm,
muszą posiadać energię około 10 keV, ale wtedy ich długość fali de Broglie a wynosi około
0,01 nm. Jest to wartość mniejsza od średnicy atomu. Jak więc wykonać siatkę dyfrakcyjną o
tak małych odległościach pomiędzy szczelinami? Okazuje się, \e wcale takich siatek nie musimy
wytwarzać, gdy\ ich rolę spełniają kryształy. Atomy w krysztale są rozmieszczone w sposób
periodyczny, a odległości międzyatomowe wynoszą kilka (czytaj: angsztremów) (1 = 0,1 nm
= 10-10m), co czyni je przydatnymi do obserwacji zjawiska interferencji fal de Broglie a. Opis
ró\nego typu ciał krystalicznych oraz definicje podstawowych pojęć związanych z budową
krystaliczną podano w Dodatku A.
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
2
1.1. Dyfrakcja fali na sieci krystalicznej
Załó\my, \e na kryształ pada fala o długości . Ka\dy atom kryształu z nią oddziałujący
sam staje się zródłem nowej (wtórnej) fali kulistej o tej samej długości (zasada Huyghensa).
Fale wtórne, emitowane przez poszczególne atomy, będą interferować ze sobą. Aby znalezć
wynik interferencji w przypadku ogólnym, rozpatrzmy na początku przypadek, kiedy fala płaska
oddziaływać będzie tylko z jedną płaszczyzną atomową.
Poniewa\ kryształ mo\emy przedstawić jako zbiór równoległych płaszczyzn atomowych,
to proces powstawania w nim nowej fali opisać mo\na jako nakładanie się (interferencję) fal
kulistych powstających w poszczególnych płaszczyznach atomowych. Fale te zostaną po
nało\eniu, w zale\ności od ró\nicy ich dróg optycznych, wzmocnione lub osłabione, patrz rys.1.
1 1
2
2
2
A
p1
p2
d
C
D
B
Rys.1 Dyfrakcja światła na krysztale (1 oznacza kierunek, w którym następuje wzmocnienie
fali w wyniku zjawiska interferencji)
Z rysunku 1 wynika, \e ró\nica dróg optycznych dla punktów przestrzeni poło\onych na
kierunkach 1 i 2 dla dwóch kolejnych płaszczyzn atomowych (p1 i p2) wynosi:
CB + BD = 2d sin . Wzmocnienie interferencyjne wystąpi, gdy będzie ona równa całkowitej
wielokrotności długości fali, tj.:
2d sin = n (3)
gdzie d - jest odległością między płaszczyznami atomowymi a - kątem między kierunkiem
promienia padającego a płaszczyzną atomową (tzw. kąt poślizgu - nie mylić z kątem
padania!!!), natomiast n = 1,2,3,...(rząd ugięcia). Równanie (3) nosi nazwę wzoru Bragga.
Chocia\ przy wyprowadzaniu wzoru Bragga rozwa\ane były fale powstające tylko
w dwóch kolejnych płaszczyzn atomowych, to okazuje się, \e jest on słuszny równie\
w przypadku udziału du\ej liczby tych płaszczyzn.
Z rys.1 widać równie\, \e kąt między kierunkiem na którym le\ą maksima
interferencyjne a przedłu\eniem kierunku fali padającej wynosi 2 .
Opisany wy\ej mechanizm dyfrakcji fali na krysztale nosi nazwę dyfrakcji braggowskiej
(w literaturze mo\na spotkać często określenie odbicie braggowskie ). Pamiętać jednak
nale\y, \e jest to szczególne odbicie tj. zachodzi tylko wtedy, gdy spełniony jest warunek:
2d sin = n . Tak więc zjawisko Bragga mo\na zaobserwować tylko dla fal o długościach
porównywalnych z odległością między płaszczyznami międzyatomowymi (d rzędu 0,1 nm) i
krótszych. Mo\liwe jest więc spełnienie równania (3) dla promieniowania rentgenowskiego, a
niemo\liwe dla światła widzialnego (=400-700 nm).
W kryształach mo\na wyró\nić wiele rodzin płaszczyzn atomowych. Na przykład
w przekroju kryształu przedstawionym na rys.2, oprócz płaszczyzn p1, p2, p3, ... mo\na
wyró\nić płaszczyzny t1, t2, t3,..., s1, s2, s3,..., u1, u2, u3,... . Ka\da rodzina wymienionych tu
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
3
płaszczyzn, charakteryzująca się własną odległością między płaszczyznami di, mo\e dać opisane
powy\ej zjawisko, je\eli tylko spełniony będzie warunek Bragga. Z tego te\ powodu
otrzymujemy wiele kierunków wzmocnień dla ró\nych kątów poślizgu .
i
u1 u2 u3
t1 d1 t2 t3
p1
d2
p2
p3
s1 s3
s2
d4
d3
Rys.2 Przykłady rodzin płaszczyzn atomowych w krysztale (na rysunku widzimy ich rzuty
na płaszczyznę rysunku)
Je\eli kryształ zaczniemy obracać względem osi pokrywającej się z kierunkiem wiązki
padającej, to wiązki wzmocnione zaczną zataczać powierzchnie sto\kowe o kącie rozwarcia
4Ś. Gdy równoległa i monochromatyczna fala pada na polikryształ tzn. materiał zawierający
du\ą liczbę małych (o rozmiarach mikronowych) monokryształów (krystalitów), zorientowanych
w sposób przypadkowy, to zaobserwujemy efekt taki jak przy obrocie kryształu. Zawsze
bowiem znajdzie się pewna liczba krystalitów, dla których warunek Bragga będzie spełniony dla
danego kąta Ś i wówczas wiązki wzmocnione tworzyć będą powierzchnie sto\ków o kątach
rozwarcia4Ś. Je\eli na drodze wiązek wzmocnionych ustawimy ekran, to zaobserwujemy na
nim okręgi (rys.3).
cienka folia
polikrystaliczna
wiązka
42
elektronów
D2
D1
41
r
płaszczyzna
ekranu
Rys.3 Zjawisko Bragga dla próbki polikrystalicznej .
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
4
1.2. Doświadczenie Thomsona
Rozwa\ania przeprowadzone wcześniej, stanowią podstawę do zrozumienia
doświadczenia przeprowadzonego przez G. P. Thomsona w 1927r. potwierdzającego hipotezę
de Broglie a. Thomson umieścił w lampie oscyloskopowej, za układem anod ogniskujących,
cienką złotą folię (folia taka ma budowę polikrystaliczną). Elektrony padając na nią, podlegały
zjawiskom, które zostały wy\ej omówione (tzn. zjawisku interferencji), dając w rezultacie na
ekranie okręgi o ró\nych średnicach Di .
Powstały na ekranie układ pierścieni daje się wyjaśnić, je\eli przyjmiemy, \e
z elektronem związana jest fala, której długość określona jest przez wzór: =h/p. Oddziałuje
ona z folią polikrystaliczną w przedstawiony wcześniej sposób. Dodatkowym argumentem
za słusznością tego zało\enia jest fakt, \e ten sam układ okręgów otrzymano przy naświetleniu
wspomnianej folii promieniami rentgena o podobnej długości fali, co długość fali elektronów
przewidywana przez de Broglie a. Doświadczenie Thomsona potwierdza więc falową naturę
strumienia elektronów. Fala związana z elektronem jest falą materii, której naturę opisano
szczegółowo w Dodatku B.
Do zbadania własności fali materii (a tak\e sprawdzenia hipotezy de Broglie a) u\yto
odpowiednio przygotowanej lampy oscyloskopowej, w której na drodze wiązki elektronowej
umieszczono cienką folię (aluminiową lub grafitową). Jej grubość wynosi około 50 nm. Tak
cienka folia jest przezroczysta dla elektronów o energiach powy\ej 8 keV. Otrzymuje się ją
poprzez pró\niowe naparowanie. Emitowane przez katodę lampy oscyloskopowej elektrony,
nim padną na folię aluminiową, są przyspieszane do energii kinetycznej Ek=eU przez przyło\one
napięcie U, które mo\na regulować.
Poniewa\ odległość folii od ekranu jest znacznie większa od średnicy otrzymanych na
ekranie okręgów interferencyjnych D, to zgodnie z rys.3: sin 4 H" 4 H" D / r (r odległość folia-
ekran), a stąd: sin H" H" D / 4r.
Podstawiając tak obliczoną wartość sin do wzoru Bragga (3), otrzymujemy:
dD
= n (4)
2r
Wartość znajdujemy ze wzoru (1) tzn. = h / p. Pęd elektronu p obliczymy znając
napięcie U z klasycznego związku między pędem a jego energią eU, tj.: eU=p2/2m
(e ładunek elektronu, m jego masa). Relatywistyczna zmiana masy elektronu przy energiach
pola elektrycznego u\ytego w doświadczeniu wprowadza błąd pomijalnie mały. Podstawiając do
h
wzoru (4) wartość obliczoną dla napięcia przyśpieszającego U: =
oraz n = 1 (gdy\
2meU
tylko okręgi pierwszego rzędu są widoczne), otrzymujemy:
2rh
D = (5)
d 2meU
Średnica okręgu interferencyjnego D, pochodzącego od tego samego zespołu płaszczyzn
atomowych powinna być odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego napięcia
przyspieszającego elektrony U. Jeśli uzyskamy taki wynik, to będzie potwierdzeniem
słuszności wzoru opisującego hipotezę de Broglie a.
1.3. Dyfrakcja światła na sieci dwuwymiarowej
Celem drugiej części ćwiczenia jest zapoznanie się z dyfrakcją światła na regularnej
sieci dwuwymiarowej w przypadku, gdy wiązka światła pada na sieć pod kątem prostym do
płaszczyzny sieci. Zgodnie z tym co napisano w poprzedniej części instrukcji, ka\dy z atomów
staje się zródłem nowej fali kulistej. Fale te interferują ze sobą, a efekt mo\emy zobaczyć na
ekranie ustawionym prostopadle do kierunku padania fali, w pewnej odległości od sieci.
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
5
Rozpatrzmy sieć regularną prostokątną. Warunkiem wzmocnienia w takim przypadku
jest spełnienie dwóch równań Lauego, które mo\emy zapisać w sposób następujący:
a cos Ś' = m
(6)
b cos Ś'' = n
gdzie a, b stałe sieciowe, Ś` i Ś`` kąty między kierunkiem padania wiązki świetlnej a
kierunkiem wzmocnienia (wiązki wzmocnione tworzą sto\ki o kątach rozwarcia 2Ś` i 2Ś``), m i
n dowolne liczby całkowite.
Rozwiązaniem ka\dego z równań Lauego są powierzchnie sto\kowe, które na ekranie
ustawionym w kierunku równoległym do powierzchni sieci (a prostopadłym do kierunku padania
wiązki świetlnej) tworzą rodziny hiperbol. Wspólnym rozwiązaniem obu równań
obserwowanym na ekranie w postaci świecących punktów są punkty przecięcia hiperbol.
W przeprowadzanym doświadczeniu długość fali świetlnej (0,6 m) jest prawie trzy rzędy
mniejsza od odległości między atomami w badanej sieci krystalicznej (0,1 mm). Z tego powodu
na ekranie punkty układają się na hiperbolach o bardzo małej krzywiznie, widocznych właściwie
jako linie proste (krzywizny hiperbol nie daje się zauwa\yć).
Y
h=-3 h=-2 h=-1
h=1 h=2 h=3
k=2
k=1
X
k=-1
k=-2
Rys.4 Wygląd ekranu przypadku dyfrakcji na sieci regularnej czarne punkty na ilustracji to
świecące punkty na ekranie, efekt przecięcia hiperbol (definicja indeksów h i k)
Świecącym punktom na ekranie przypisujemy dwa wskazniki (patrz ilustracja 4), które
nazywane są wskaznikami Millera. Współrzędne punktów zapisujemy w postaci par liczb (h, k)
na przykład (1, 1) (3, 1) (-2, 5), itd. Odcinek, który łączy punkt (h, k) ze środkiem obrazu
dyfrakcyjnego (czyli z punktem (0, 0)) oznaczamy Hhk. Znajomość długości światła u\ytego w
doświadczeniu, odległości L ekranu od sieci krystalicznej oraz wartości Hkl pozwala na
wyznaczenie stałych sieciowych badanej sieci.
Z własności geometrycznych otrzymujemy następujący wzór:
H
hk
tgŚhk = (7)
L
co uwzględniając znaną zale\ność
dhk sin Śhk = n (8)
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
6
pozwala wyznaczyć stałe dhk, a z nich stałe sieciowe badanej sieci. Sposób wyznaczenia stałych
sieciowych zale\y od rodzaju sieci. Związki między stałymi sieciowymi a wyznaczonymi stałymi
dhk są następujące:
a
dhk = (sieć regularna, stała sieciowa a)
2
h2 + k
a
dhk = (sieć heksagonalna, stała sieciowa a) (9)
4
2
(h2 + kh + k )
3
1
dhk = (sieć prostokątna, stałe sieciowe a i b)
2
h2 k
+
2
a b2
Gdy wiązka pada na sieć polikrystaliczną, to na ekranie powinniśmy uzyskać
współśrodkowe okręgi (tak jak w przypadku dyfrakcji elektronów). Jeśli okręgi nie są wyraznie
widoczne, to oznacza, \e wiązka światła obejmuje zbyt małą liczbę ró\nie zorientowanych
obszarów monokrystalicznych.
2. Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników
3.1. Dyfrakcja elektronów doświadczenie Thompsona
Wykonanie ćwiczenia
1. Zapoznać się z obsługą zasilacza lampy oscyloskopowej (w razie wątpliwości pytać
prowadzącego).
2. Upewnić się czy pokrętło regulacji napięcia przyspieszającego elektrony jest w poło\eniu
zerowym (skręcone w lewo ) je\eli nie, to przestawić w to poło\enie.
3. Włączyć zasilanie zasilacza i odczekać około 2 minuty do nagrzania katody lampy
oscyloskopowej.
4. Obracając pokrętło regulacji napięcia przyspieszającego elektrony zaobserwować
pojawienie się plamki na ekranie (w zale\ności od potrzeby regulujemy jej jasność).
5. Zwiększamy napięcie przyspieszające elektrony a\ do pojawienia się pierścieni (kontrolując
jasność i ostrość obrazu).
6. Przy ustalonym napięciu przyspieszającym U mierzymy średnice Di wszystkich widocznych
na ekranie pierścieni w funkcji napięcia przyspieszającego U dla co najmniej 6-ciu ró\nych
napięć.
7. Skręcamy pokrętło regulacji napięcia przyspieszającego w poło\enie zerowe (skrajne
w lewo ) i wyłączamy zasilanie.
8. Notujemy odległość r (folia ekran ).
Opracowanie wyników
1. Sprawdzić, czy uzyskane wyniki są zgodne z wzorem (5), sporządzając wykres zale\ności
średnicy pierścieni Di od odwrotności pierwiastka kwadratowego napięcia przyspieszającego
(1/ U ) i korzystając z metody najmniejszej sumy kwadratów (obliczenia przy u\yciu
programu komputerowego!!), znalezć wartość współczynnika nachylenia otrzymanej
prostej a.
rh 2
2. Biorąc pod uwagę, \e w naszym przypadku a =
(patrz wzór (5)), wyliczyć odległość
d me
pomiędzy płaszczyznami atomowymi di, dającymi w pierścień Di oraz wartość błędu
"d (potrzebne stałe fizyczne wziąć z tablic). Na podstawie wzoru (5) wyliczyć odległości d,
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
7
odpowiadające pozostałym pierścieniom widocznym na ekranie oraz określić ich błędy "d .
Wyniki przedstawić w postaci tabelki.
3. Ustosunkować się do otrzymanych wyników, odpowiadając na pytanie dotyczące
prawdziwości hipotezy de Broglie a oraz porównując otrzymane wynik z wartościami
odległości międzyatomowych w kryształach grafitu.
Na poni\szym rysunku przedstawiono schemat budowy krystalicznej grafitu.
142 pm
688 pm
246 pm
Rys.5 Sieć krystaliczna grafitu
Warstwa grafitu, przez którą przechodzi wiązka elektronów jest warstwą
polikrystaliczną. Rozerwaniu ulegają długie wiązania między poszczególnymi warstwami (rys.5),
tak więc orientacja komórek jest przypadkowa. (Grafit jest bardzo śliski i łatwo się
rozprowadza po powierzchni jest to właśnie efekt przesuwania się względem siebie
poszczególnych warstw atomów węgla. Z drugiej strony grafit jest bardzo odporny na ściskanie.
Z tych powodów jest on wykorzystywany do produkcji ró\nego typów smarów, w szczególności
do smarów suchych).
d1
d1
d1 = 213 pm
d2 =123 pm
Rys.6 Odległości międzypłaszczyznowe dla dwóch pierwszych pierścieni interferencyjnych
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
8
4. W sprawozdaniu nale\y odpowiedzieć na następujące pytania: Dlaczego intensywność obu
pierścieni jest porównywalna? Dlaczego nie widać pierścieni wy\szych rzędów interferencji
lub pochodzących od innych płaszczyzn atomowych?
3.2. Dyfrakcja światła na sieci krystalicznej
Wykonanie ćwiczenia
Do obserwacji dyfrakcji światła na kryształach wykorzystywane są dwuwymiarowe
modele ró\nych typów sieci krystalicznej i polikrystalicznej w postaci przezroczy na folii
światłoczułej. Jako zródło światła wykorzystywany jest laser półprzewodnikowy generujący
światło o długości podanej na uchwycie lasera. Laser umocowany jest na podstawie, do której
magnetycznie mocuje się przezrocza (ramki mają w dolnej części paski magnetyczne). Ka\de z
przezroczy posiada oznaczenia (np. A1, C2, itp.). Statyw z laserem nale\y ustawić
w zaznaczonej pozycji na stole laboratoryjnym w dokładnie określonej odległości od ekranu
znajdującego się na pionowej obudowie stanowiska laboratoryjnego (odległość przezrocze
ekran musi pozostawać niezmienna). Ekran wyposa\ony jest w klips, w którym mocuje się
protokół i przerysowuje powstające obrazy dyfrakcyjne.
Na stanowisku znajduje się równie\ mikroskop optyczny, który słu\y do obserwacji
modeli sieci i bezpośrednich pomiarów stałych sieciowych (przy u\yciu przesuwu
mikrometrycznego stolika mikroskopu lub sieci pajęczej w okularze).
W podanej poni\ej instrukcji wykonania ćwiczenia polecenie odrysować obraz oznacza
umieszczenie protokołu na ekranie i zaznaczenie długopisem najwa\niejszych elementów
powstałego obrazu interferencyjnego.
1. Włączyć laser i ustawić go w zaznaczonym na stole laboratoryjnym miejscu tak, aby wiązka
padała w pobli\u środka ekranu.
2. W bieg wiązki światła laserowego wstawić przezrocza oznaczone A1, B1 i C1. Odrysować na
protokole powstałe obrazy.
3. W bieg wiązki światła laserowego wstawić przezrocze oznaczone D1. Odrysować na
protokole powstały obraz.
4. W bieg wiązki światła laserowego wstawić przezrocze oznaczone B5. Odrysować na
protokole powstały obraz.
5. Wszystkie wykorzystane w trakcie ćwiczenia przezrocza umieścić kolejno na stoliku
mikroskopu optycznego i wykonać bezpośrednie pomiary stałych sieciowych.
6. W bieg wiązki światła laserowego wstawić przezrocza oznaczone B2 i B3.
Opracowanie wyników
1. Porównać obrazy interferencyjne dla przezroczy A1, B1 i C1. Co zostało zaobserwowane pod
mikroskopem? Potwierdzeniem jakiej zasady fizycznej jest wynik tej części doświadczenia?
2. Na podstawie wzorów (7), (8) i (9) obliczyć stałe sieciowe dla tych sieci krystalicznych.
Otrzymany wynik porównać z wynikiem pomiarów spod mikroskopu.
3. Obliczyć stałe sieciowe dla przezrocza D1. Otrzymany wynik porównać z wynikiem
pomiarów spod mikroskopu.
4. Z jakim kryształem mamy do czynienia w przypadku przezrocza B5. Wyznaczyć stałą
sieciową mierząc średnicę pierścienia interferencyjnego. Otrzymany wynik porównać z
wynikiem pomiarów spod mikroskopu. Czy obraz interferencyjny uzyskany dla slajdu B5
mo\na porównać z obrazem uzyskanym dla dyfrakcji elektronów w doświadczeniu
Thompsona w poprzedniej części ćwiczenia? Odpowiedz nale\y uzasadnić.
5. Jakie sieci krystaliczne przedstawione na przezroczach B2 i B3?
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
9
4. Pytania kontrolne
1. Jakie zało\enie tkwi u podstaw hipotezy de Broglie a?
2. Jakie muszą być spełnione warunki, aby nastąpiło wzmocnienie interferujących fal?
3. Wyprowadz wzór Bragga.
4. Jakie zjawisko fizyczne opisują równania Lauego?
5. Narysować i wyjaśnić obraz interferencyjny przy dyfrakcji światła na polikrysztale.
6. Wyjaśnij istotę doświadczenia Thomsona. Jaka jest zale\ność pomiędzy średnicą pierścienia
a napięciem przyspieszającym?
7. Załó\my, \e neutron i elektron posiadają taką samą energię. Której cząstce odpowiada
większa długość fali de Broglie a?
5. Literatura
1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, tom IV, PWN 2003
2. R. Eisberg i R. Resnick, Fizyka kwantowa str. 78 PWN 1983
3. Cz. Bobrowski, Fizyka krótki kurs, WNT 1993
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
10
DODATEK A
Budowa krystaliczna ciał stałych
Ze względu na sposób uło\enia atomów (lub cząstek) ciała stałe mo\emy podzielić na
ciała monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz amorficzne (bezpostaciowe). Monokryształy są to
takie ciała, w których atomy uło\one są w sposób regularny w całej objętości ciała mówi się
wówczas o uporządkowaniu dalekiego zasięgu. Odległość między sąsiednimi atomami wynosi
zazwyczaj kilka Angstremów (). Najmniejszą komórkę, której powtórzenie we wszystkich
trzech kierunkach daje monokryształ nazywamy komórką elementarną. Komórkę elementarną
definiują długości jej boków (tak zwane stałe sieciowe) w trzech wybranych kierunkach oraz
trzy kąty, które tworzą ze sobą te boki. W doświadczeniu tym rozwa\amy najprostsze
dwuwymiarowe sieci krystaliczne, które przedstawiono na rys. 7.
Drugim badanym w doświadczeniu typem ciał krystalicznych są polikryształy. Są to
ciała, w których mo\na zaobserwować obszary o strukturze monokrystalicznej uło\one
względem siebie w sposób przypadkowy. Obszary te (ziarna monokrystaliczne - krystality) mogą
mieć wielkość rzędu ułamków mikrometra, a tak\e rozmiary makroskopowe. Naturalnym
stanem dla większości ciał stałych jest stan krystaliczny, często monokrystaliczny, gdy\ energia
uporządkowania atomów jest najmniejsza. W przyrodzie często mo\na zaobserwować piękne i o
du\ych wymiarach monokryształy: kryształy soli w Wieliczce, diamenty (kryształy węgla!) itd.
Jeśli jednak w procesie tworzenia się kryształu zakłócony zostanie proces krystalizacji, to
otrzymuje się polikryształ czy wręcz ciało amorficzne.
Monokryształy znajdują szerokie zastosowanie we współczesnej technice, stanowią
podstawę całej mikroelektroniki, bez nich nie powstałyby mikroprocesory, pamięci, układy
elektroniczne i komputery. Większość układów scalonych wytwarzana jest na cienkich płytkach
monokrystalicznego krzemu. Ka\dy szanujący się student Politechniki Warszawskiej
powinien wiedzieć, \e metodę otrzymywania monokryształów przez krystalizację z
substancji stopionej opracował Jan Czochralski, wybitny chemik i metaloznawca, profesor
Politechniki Warszawskiej od 1930 roku do końca II Wojny Światowej. Metoda ta (znana na
całym świecie pod nazwą metody Czochralskiego) jest do dzisiaj podstawową metodą
umo\liwiającą otrzymywanie monokryształów o niebywałej wręcz średnicy kilkudziesięciu
centymetrów i długości kilku metrów. Monokryształy tnie się na plasterki o grubości części
milimetra i na nich wykonywane są wszechobecne układy scalone.
a a
a
b
a
b
a) b) c)
Rys.7 Typy sieci krystalicznych dwuwymiarowych: sieć a) regularna, b) prostokątna,
c) heksagonalna
Dyfrakcja światła i elektronów na sieci krystalicznej
11
DODATEK B
Natura fal de Broglie a
Próbując odpowiedzieć na to pytanie, odwołamy się do eksperymentu. Je\eli
w eksperymencie Thomsona u\yć wiązki elektronowej o niezwykle małym natę\eniu tak,
aby mo\na było przyjąć, \e na folię padają pojedyncze elektrony, to na ekranie obserwować
będzie będziemy pojedyncze błyski o jednakowym natę\eniu. Najwięcej będzie ich w miejscu
odpowiadającym przechodzeniu elektronów na wprost, ale pewna liczba błysków będzie
obserwowana na okręgach interferencyjnych.
Pojawienie się pojedynczych błysków wyraznie przeczy ewentualności, \e fala
de Broglie a to po prostu falowanie materii elektronowej. Gdyby tak było, wówczas
obserwowalibyśmy cały obraz interferencyjny (tj. układ okręgów), chocia\ o bardzo małym
natę\eniu, ju\ przy przejściu pojedynczego elektronu.
Wynik tak przeprowadzonego doświadczenia nie powinien jednak zachwiać naszego
przekonania o falowych własnościach elektronu (własnościach, a nie naturze), gdy\ błyski
pojawiały się (oprócz miejsca odpowiadającemu przechodzeniu elektronów na wprost) tylko na
okręgach interferencyjnych. Do tego, jak wykazano wy\ej, potrzebne jest oddziaływanie fali
(elektronu) z wieloma płaszczyznami atomowymi, a więc elektron zachowuje się jak fala.
Jednak\e nie potrafimy wyjaśnić dlaczego pojedynczy elektron oddziałuje z płaszczyznami
atomowymi jako fala, a z atomami ekranu jak korpuskuła.
Analizując wyniki innych eksperymentów sformułować mo\na wniosek: je\eli cząstka
oddziałuje z obiektem w taki sposób, \e niemo\liwe jest stwierdzenie z jaką częścią obiektu
następuje to oddziaływanie, to ujawniają się własności falowe cząstki (oddziaływanie z
płaszczyznami atomowymi kryształów cienkiej folii). Natomiast, kiedy mamy mo\liwość
zlokalizowania oddziaływującej cząstki (np. oddziaływanie z konkretnymi atomami ekranu), to
wtedy oddziałuje jak korpuskuła. W obszarze przyśpieszającego elektron pola elektrycznego
tak\e mo\emy dokładnie (w zakresie energii pola rzędu 10 keV) prześledzić poło\enie i pęd
cząstki. Oddziaływanie elektronu z polem elektrycznym w lampie oscyloskopowej te\ pozawala
na traktowanie elektronu jako cząstki.
Dla dopełnienia obrazu dodajmy jeszcze, \e gdy w omawianym eksperymencie umieścić
za ekranem kliszę fotograficzną (zamiast obserwować pojedyncze błyski), to po dłu\szym
naświetlaniu otrzymany na niej obraz niczym nie będzie się ró\nił od obrazu obserwowanego na
ekranie przy du\ym natę\eniu wiązki elektronowej. Ten ostatni wynik świadczy o statystycznym
charakterze praw rządzących zachowaniem się cząsteczek. Pogląd ten reprezentuje mechanika
kwantowa - teoria, do której powstania przyczyniła się hipoteza de Broglie a. Mechanika
kwantowa nie wnika w naturę fal de Broglie a, a jedynie zajmuje się opisem zachowania się
cząstek z uwzględnieniem ich falowych własności.
Stan cząstki w mechanice kwantowej opisuje funkcja falowa (x,y,z) o postaci
matematycznej to\samej z równaniem fali znanym z optyki. Matematyczną postać funkcji
falowej znajdujemy rozwiązując równania Schrdingera (podstawowe równanie mechaniki
kwantowej). Jej interpretacja jest probabilistyczna (statystyczna). Kwadrat modułu funkcji
(x,y,z) jest gęstością prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym punkcie
przestrzeni o współrzędnych x,y,z. Natomiast prawdopodobieństwo P znalezienia cząstki
w elemencie objętości dV w pobli\u danego punktu przestrzeni wynosi:
2
P = (x, y, z) dV
Fala materii (de Broglie a) jest opisywana przez funkcję (x, y, z) mającą postać równania fali.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
37 Dyfrakcja elektronów i światła na sieci krystalicznejNowe lampy próżniowe żródła światła na zimnych katodach nanokrystalicznychDrgania sieci krystalicznej37 Omów czynniki wpływające na lepkość krwiZastosowanie znacznikˇw elektroujemnych w badaniach identyfikacyjnych sieci wentylacyjnych kopal˝ poRozmieszczenie elektrowni jądrowych na świeciebarzyk wybrane problemy z przyłączeniem elektrowni wiatrowej do sieci energetycznejŚwiatło na śniegu Anita Shreveswiatlo na oswiecenie poganElektrownie wiatrowe na morzuwięcej podobnych podstron