Lección
La teoría — Longitud de onda de de Broglie y ondas de materia
Una partícula en movimiento tiene asociada una longitud de onda, la longitud de onda de de Broglie λ = h/p, donde p es su cantidad de movimiento y h, la constante de Planck. Por tanto, un haz de partículas se difracta, igual que la luz, al incidir sobre una red cuyo periodo es comparable con λ. Para una masa m y una energía cinética K, la cantidad de movimiento cumple pc = √(K² + 2K·mc²). Si K es mucho menor que la energía en reposo mc², se obtiene la conocida expresión p = √(2mK). Un electrón o un protón acelerado desde el reposo por una diferencia de potencial de V voltios tiene K = eV.
Qué significa cada símbolo
λ- la longitud de onda de de Broglie de la partícula
h- la constante de Planck, exactamente 6,62607015×10⁻³⁴ J·s
p- la cantidad de movimiento de la partícula; pc expresa esa misma magnitud como energía
K- la energía cinética; para una carga elemental acelerada mediante V voltios, K = eV
mc²- la energía en reposo, 511,0 keV para un electrón y 938,3 MeV para un protón
d- la separación entre las hileras de átomos de la cara (111) del níquel, 0,2158 nm
φ- el ángulo entre el haz incidente y el primer haz difractado, obtenido de sin φ = λ/d
- Supone
- Todas las partículas del haz tienen la misma energía, K = eV para una carga acelerada desde el reposo, medida fuera del cristal. El haz incide perpendicularmente sobre la superficie del níquel, que se modeliza como hileras de átomos separadas 0,2158 nm: una red de difracción por reflexión en la que solo interviene la capa superior. La separación del níquel se calcula a partir de su constante de red, 0,352387 nm. Se toma para la pelota una masa de 145 g, aproximadamente la de una pelota de béisbol.
- Falla cuando
- Dentro del metal, el cristal atrae al electrón y hace que se mueva más deprisa que fuera, por lo que allí su longitud de onda es menor. En 1928, Davisson y Germer publicaron que sus haces no obedecían la ley de Bragg en las capas situadas bajo la superficie. Siguiendo una propuesta de Carl Eckart, atribuyeron la discrepancia a esta refracción. La fórmula para las hileras superficiales que se emplea aquí no se ve afectada, pues la atracción es perpendicular a la superficie y no altera la componente de la cantidad de movimiento paralela a ella. La fórmula es válida para cualquier partícula, tenga carga o no: en 1930, Immanuel Estermann y Otto Stern dirigieron haces de átomos de helio y moléculas de hidrógeno contra un cristal de fluoruro de litio y observaron su difracción.
Problema resuelto al detalle
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Un electrón y un rayo X con la misma longitud de onda 5 pasos
Los rayos X Kα del cobre, de 0,154184 nm, son los que utiliza la ley de Bragg para medir cristales. ¿Qué tensión da a un electrón la misma longitud de onda, cuánta energía transporta un fotón de esos rayos X y cómo cambia la comparación para ondas más largas? Pulsa Davisson y Germer: 54 V como punto de partida.
Abre este problema en la herramienta
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A 54 V, la página muestra esta longitud de onda para el electrón:
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Muy por debajo de mc², λ varía como 1/√V, así que la tensión correspondiente a la onda más corta se obtiene con el cuadrado de la razón:
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La energía de un fotón es hc/λ, con hc = 1239,84 eV·nm:
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El fotón transporta 127 veces la energía del electrón:
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Para un electrón lento, K = h²/(2mλ²), mientras que la energía del fotón es hc/λ. La razón entre ambas es, por tanto, 2mcλ/h: el doble de la longitud de onda dividido por la longitud de onda de Compton del electrón, h/mₑc = 2,4263 pm.
Respuesta
Una tensión de 63,27 V da al electrón la longitud de onda de 0,154184 nm del Kα del cobre. Un fotón con esa longitud de onda transporta 8.041 eV, 127,1 veces más. Como la razón es 2λ/λC, crece en proporción a la longitud de onda: a las escalas relevantes para los cristales, una partícula con masa alcanza esas longitudes con una pequeña fracción de la energía que necesita la luz, y cuanto mayor es la masa, menor es esa fracción. Es el caso del neutrón del tercer valor predefinido. La razón solo se aproxima a 1 para longitudes de onda muy inferiores a λC, donde el electrón es tan rápido que su energía, como la del fotón, es simplemente pc.
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Ruta de aprendizaje
Mecánica cuántica: la materia como ondas
Referencias (4)
- Davisson's own account of the experiment: a 54-volt beam aimed at the (111) face of a nickel crystal, how the work began as a study of electron scattering and became a test of de Broglie only in 1926, and the check of λ = h/p against λ = 12.25/√V Å for nineteen beams: C. J. Davisson, "The discovery of electron waves." Nobel Lecture, 13 December 1937.
- Diffraction is not special to electrons: Stern's account of sending helium atoms and hydrogen molecules at a lithium fluoride crystal, and checking de Broglie's formula to about 2%: O. Stern, "The method of molecular rays." Nobel Lecture, 12 December 1946.
- The 54 V, 50° peak itself, and its reading as Bragg reflection from planes inside the crystal: R. Nave, "Davisson-Germer Experiment." HyperPhysics, Department of Physics and Astronomy, Georgia State University.
- Neutrons from a reactor, slowed to thermal speeds and reflected by a crystal because of their wave nature, as the basis of neutron diffraction: The Royal Swedish Academy of Sciences, "The Nobel Prize in Physics 1994." Press release, 12 October 1994.