Lição
A teoria — Comprimento de onda de Broglie e ondas de matéria
Uma partícula em movimento tem um comprimento de onda associado, o comprimento de onda de de Broglie λ = h/p, em que p é seu momento e h é a constante de Planck. Assim, um feixe de partículas sofre difração numa rede cujo espaçamento seja comparável a λ, tal como acontece com a luz. Para uma partícula de massa m e energia cinética K, o momento é dado por pc = √(K² + 2K·mc²). Quando K é muito menor que a energia de repouso mc², essa expressão se reduz à conhecida fórmula p = √(2mK). Um elétron ou próton acelerado a partir do repouso por uma diferença de potencial de V volts tem K = eV.
O que significa cada símbolo
λ- o comprimento de onda de de Broglie da partícula
h- a constante de Planck, exatamente 6,62607015×10⁻³⁴ J·s
p- o momento da partícula; pc é a mesma grandeza expressa como energia
K- a energia cinética; para uma carga elementar acelerada por uma diferença de potencial de V volts, K = eV
mc²- a energia de repouso, 511,0 keV para um elétron e 938,3 MeV para um próton
d- o espaçamento entre as fileiras de átomos na face (111) do níquel, 0,2158 nm
φ- o ângulo entre o feixe incidente e o primeiro feixe difratado, obtido de sin φ = λ/d
- Pressupõe
- Todas as partículas do feixe têm a mesma energia, K = eV para uma carga acelerada a partir do repouso, medida fora do cristal. O feixe incide perpendicularmente sobre a superfície do níquel, tratada como fileiras de átomos separadas por 0,2158 nm que formam uma rede de reflexão; assim, apenas a camada superficial é considerada. O espaçamento do níquel é calculado a partir de seu parâmetro de rede, 0,352387 nm. Para a bola, adota-se a massa de 145 g, aproximadamente a de uma bola de beisebol.
- Falha quando
- Dentro do metal, o cristal atrai o elétron, que passa a se mover mais depressa que no exterior; por isso, seu comprimento de onda ali é menor. Em 1928, Davisson e Germer relataram que seus feixes não obedeciam à lei de Bragg nas camadas abaixo da superfície. Seguindo uma sugestão de Carl Eckart, atribuíram o desvio a essa refração. A fórmula das fileiras superficiais usada aqui não é afetada, pois a atração atua perpendicularmente à superfície e não altera o momento paralelo a ela. A fórmula vale para qualquer partícula, tenha ela carga ou não: em 1930, Immanuel Estermann e Otto Stern dirigiram feixes de átomos de hélio e moléculas de hidrogênio contra um cristal de fluoreto de lítio e observaram sua difração.
Problema resolvido na íntegra
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Um eletrão e um raio X com o mesmo comprimento de onda 5 passos
Os raios X Kα do cobre, com 0,154184 nm, são os usados para medir cristais pela lei de Bragg. Que tensão dá a um eletrão o mesmo comprimento de onda? Quanta energia transporta um fotão de raios X desse comprimento de onda? E como muda a comparação para ondas mais longas? Prima Davisson-Germer: 54 V para obter o ponto de partida.
Abrir este problema na ferramenta
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A 54 V, a página apresenta o comprimento de onda do eletrão:
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Muito abaixo de mc², λ é proporcional a 1/√V; para obter a onda mais curta, a tensão varia com o quadrado da razão:
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A energia de um fotão é hc/λ, com hc = 1239,84 eV·nm:
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O fotão transporta 127 vezes a energia do eletrão:
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Para um eletrão lento, K = h²/(2mλ²), enquanto a energia do fotão é hc/λ; a razão entre ambas é 2mcλ/h, isto é, duas vezes o comprimento de onda dividido pelo comprimento de onda de Compton do eletrão, h/mₑc = 2,4263 pm.
Resposta
Uma tensão de 63,27 V dá ao eletrão os 0,154184 nm da radiação Kα do cobre. Um fotão com esse comprimento de onda transporta 8 041 eV, ou 127,1 vezes mais energia. Como a razão é 2λ/λC, cresce proporcionalmente ao comprimento de onda. Nas escalas relevantes para os cristais, uma partícula com massa atinge esses comprimentos de onda com uma pequena fração da energia necessária à luz; quanto mais pesada for a partícula, menor será essa fração. É o caso do neutrão da terceira predefinição. A razão só se aproxima de 1 para comprimentos de onda muito menores do que λC, quando o eletrão é tão rápido que a sua energia, tal como a do fotão, é simplesmente pc.
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Percurso de aprendizagem
Mecânica quântica: a matéria como onda
Referências (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.