Dyfrakcja i interferencja elektronów i innych cząstek., Prezentacje z Fizyka

Pobierz Dyfrakcja i interferencja elektronów i innych cząstek. i więcej Prezentacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity! Dyfrakcja i interferencja elektronów i innych cząstek. Wprowadzenie Przeczytaj Film (standardowy) Sprawdź się « Dla nauczyciela Przeczytaj Warto przeczytać Dyfrakcja i interferencja to zjawiska falowe. Dyfrakcja oznacza ugięcie fali na przeszkodzie, a interferencja – nakładanie się na siebie fal. Jeśli w danym eksperymencie obserwujemy zachowania typowe dla dyfrakcji i interferencji – wtedy możemy spodziewać się, że mamy w nim do czynienia z falami. Rys. 2. Dyfrakcja fali na przeszkodzie. [źródło - Pexels] Fala jest jednym z mechanizmów rozchodzenia się informacji w przyrodzie – wyróżniamy między innymi fale dźwiękowe, za pomocą których komunikujemy się lub fale elektromagnetyczne, za pomocą których można przesyłać sygnał radiowy, telewizyjny czy Wi‐Fi. Fala jest zaburzeniem rozciągłym, które istnieje w wielu miejscach jednocześnie. Z drugiej strony, w przyrodzie istnieją cząstki – takie jak protony, elektrony czy atomy. Cząstki wyobrażamy sobie zazwyczaj jako małe, sztywne kulki. Rozpędzone do wysokiej prędkości cząstki byłyby według tego wyobrażenia miniaturowymi pociskami. Wydawałoby się, że cząstka jest zupełnym przeciwieństwem fali – jest niewielka i zlokalizowana (zajmuje jedno konkretne położenie). W XX wieku naukowcy opanowali możliwość wytwarzania strumieni elektronów i kierowania ich w określone miejsce. W roku 1927, dwóch fizyków amerykańskich, Clinton Davidsson oraz Lester Germer przeprowadzili doświadczenie, w którym wiązkę elektronów skierowali na tarczę – na monokryształ niklu. Przed tarczą umieszczono detektor elektronów, aby badać, w jaki sposób będą one „odbijać się” od tarczy. Elektrony pochodziły z metalowego włókna, rozgrzanego do bardzo wysokiej temperatury. Moglibyśmy wyobrażać sobie, że elektrony zachowają się jak małe kule – czyli odbiją się od tarczy, nie zmieniając zbytnio swojego kierunku. Wtedy zaobserwowano by bardzo silny sygnał dla detektora ustawionego naprzeciwko tarczy. Tymczasem jednak, zauważono coś zupełnie innego. Wykorzystany układ eksperymentalny prezentujemy na Rys. 3. Rys. 3. Układ eksperymentalny Davidssona i Germera. [źródło - grafika stworzona na potrzeby projektu] Otrzymany obraz (widoczny na Rys. 4.) jest typowy dla dyfrakcji elektronów na materiale monokrystalicznym – tzw. złożonym z jednego dużego ziarna krystalicznego. Przenalizujmy jego wygląd – w centralnym punkcie widzimy jasny obszar, związany z elektronami które odbiły się od tarczy bez zmiany kierunku. Centralny punkt otoczony jest jednak występującymi w określonym porządku jasnymi punktami. Czy taki wzór coś Ci przypomina? Zaobserwowany wzór to typowy obraz powstający podczas dyfrakcji i interferencji – porównaj ten wzór z obrazem otrzymywanym podczas eksperymentu dyfrakcji światła na prostokątnej szczelinie (Rys. 4.). Obrazy te wykazują duże podobieństwo – w obu przypadkach, kolejne punkty pojawiają się w ustalonych odległościach od punktu centralnego (tzn. od prążka zerowego, części fali, która nie uległa dyfrakcji). Jasne punkty to obszary, gdzie doszło do interferencji konstruktywnej ugiętej wiązki elektronów (lub fali świetlnej). W obszarach ciemnych doszło do interferencji destruktywnej. Wiązka elektronów przechodzących przez tarczę wykazuje zatem zachowanie falowe, tak jak światło! Rys. 4. Porównanie obrazu dyfrakcji elektronów (górny rysunek) z obrazem dyfrakcji światła laserowego na szczelinie prostokątnej (dolny rysunek). [źródła: pierwszy rysunek - By Sven.hovmoeller - Own work, CC BY-SA 3.0, hps://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5908190; drugi - grafika stworzona na potrzeby projektu] Czy Davidsson i Germer spodziewali się takiego rezultatu? Odpowiedź brzmi – prawdopodobnie tak. Trzy lata wcześniej, w 1924 roku, francuski fizyk Louis de Broglie sformułował postulaty dotyczące tzw. dualizmu korpuskularno‐falowego. Teoria ta mówi, że każdej cząstce (korpuskule, z łac. corpuscŭlum, zdrobniale od „ciało”) można przypisać związaną z nią falę. W przypadku cząstek materialnych będą to tzw. fale materii, zwane też falami de Broglie’a. Aby wyznaczyć długość takiej fali, posługujemy się zależnością: gdzie = 6,63 · 10 J·s jest stałą fizyczną zwaną stałą Plancka, a  wyraża pęd cząstki, czyli iloczyn jej masy i prędkości . Jak widzisz, fale materii możemy przypisać tylko λ = h p = h mv , h -34 p m v Film (standardowy) Dyfrakcja i interferencja elektronów i innych cząstek Wybierz się z nami na wycieczkę do Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk, podczas której dowiesz się, w jakich warunkach powstają obrazy dyfrakcyjne i w jaki sposób możemy oglądać świat w ogromnym powiększeniu. Polecenie 1 Spróbuj znaleźć w Internecie lub w innych źródłach informacje na temat tego, jak działa transmisyjny mikroskop elektronowy (transmission electron microscope - TEM). Chodzi jedynie o ogólną zasadę działania - pamiętaj, że zawsze możesz poprosić nauczyciela o pomoc i wyjaśnienie, jeżeli natrafisz na coś, czego nie rozumiesz. Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DmuThpwLk Polecenie 2 Wyszukaj w Internecie obrazy wykonane mikroskopem elektronowym. Czy takie obrazy można uzyskać przy pomocy mikroskopu optycznego? Sprawdź się Pokaż ćwiczenia: 輸醙難 Ćwiczenie 1 Wskaż prawidłowe zdania. W zjawisku dyfrakcji dochodzi do nakładania się fal. Dyfrakcja to zjawisko ugięcia fali na przeszkodzie. Interferencja polega na zmianie kierunku fali, gdy trafia ona na przeszkodę. Interferencja to zjawisko nakładania się fal na siebie. Ćwiczenie 2 Wskaż prawidłowe zdanie. Dualizm korpuskularno-falowy materii polega na tym, że z każdą cząstką stowarzyszona jest odpowiednia fala. Dualizm korpuskularno-falowy oznacza, że istnieją dwa odmienne rodzaje obiektów – fale i cząstki, które nie mają ze sobą nic wspólnego. Z dualizmu korpuskularno-falowego materii i promieniowania wynika, że w danym eksperymencie fizycznym zaobserwujemy zarówno falową, jak i korpuskularną naturę danego obiektu. Dualizm korpuskularno-falowy wskazuje na fakt, że każdej fali można przypisać odpowiadającą jej cząstkę.         輸 輸 Informacja do zadań 4. i 5. Elektron w wiązce przyspieszono do prędkości 5 000 000 m/s. Masa elektronu wynosi 9,1 · 10 kg. Elektron jest cząstką należącą do mikroświata. Do makroświata należą z kolei większe obiekty, np. komar o masie 1,5 μg. Lecący komar porusza się z prędkością 0,5 m/s. Ćwiczenie 3 Wskaż poprawne wzory, które pozwalają obliczyć długość fali materii dla cząstki o masie i prędkości . W poniższych wzorach wyraża pęd cząstki, a jest stałą Plancka. m v p h λ = h p 2 λ = hp λ = h p λ = h mv -31 Ćwiczenie 4 Oblicz długość fali de Broglie’a dla elektronu i komara. Wynik podaj w nanometrach i zaokrąglij go do trzech miejsc znaczących. Odpowiedź: = nm, = · 10 nmλ e λ k     輸 輸 Ćwiczenie 8 Rozwiąż krzyżówkę. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 1. Nakładanie się na siebie fal 2. Korpuskularno-falowy, teoria mówiąca o równoważności fal i cząstek 3. Pierwiastek wykorzystany w oryginalnym eksperymencie Davidssona i Germera 4. Stała... , występuje we wzorze opisującym długość fali materii 5. Cząstka stowarzyszona z falą elektromagnetyczną 6. Inne określenie cząstki, pochodzące z języka łacińskiego 7. Louis de ..., francuski fizyk, twórca pojęcia fal materii 8. Aby zaobserwować jasny punkt w obrazie dyfrakcyjnym, musi zajść interferencja... 輸 Dla nauczyciela Scenariusz lekcji: Imię i nazwisko autora: Przemysław Michalski Przedmiot: fizyka Temat zajęć: Czy elektron jest falą czy cząstką? Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony Podstawa programowa: Cele kształcenia – wymagania ogólne II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres rozszerzony Treści nauczania – wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń: 4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem; 19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu. XI. Fizyka atomowa. Uczeń: 9) opisuje zjawiska dyfrakcji oraz interferencji elektronów i innych cząstek; oblicza długość fali de Broglie’a poruszających się cząstek. Kształtowane kompetencje kluczowe: Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.: kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się. Cele operacyjne: Uczeń: 1. wyjaśnia teorię dualizmu korpuskularno‐falowego; 2. stosuje wzór opisujący długość fali materii; 3. tłumaczy, dlaczego nie obserwuje się dyfrakcji obiektów makroskopowych; 4. analizuje wyniki symulacji dyfrakcji elektronów; 5. opisuje budowę i zasadę działania transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM); 6. przedstawia zastosowania mikroskopu TEM. Strategie nauczani: blended learning Metody nauczania: wykład, pokaz multimedialny Formy zajęć: praca indywidualna Środki dydaktyczne: komputery dla uczniów, projektor Materiały pomocnicze: - PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca: Nauczyciel otwiera dyskusję na forum klasy na temat tego, czym różnią się cząstki od fal. W razie potrzeby steruje tą dyskusją w odpowiednim kierunku: fala - rozciągła w przestrzeni, obecna w wielu miejscach jednocześnie, podlegająca zjawiskom falowym, czyli dyfrakcji i interferencji; cząstka - skupiona, obecna w jednym miejscu. Następnie nauczyciel zmienia temat dyskusji i pyta uczniów o to, czy ich zdaniem cząstki mogą podlegać zjawiskom falowym (wydaje się, że nie). Prezentuje obrazy dyfrakcji elektronowej, wyjaśniając uczniom, co jest przedstawione na zdjęciach. Zadaje pytanie wzbudzające ciekawość – czy przedstawione obrazy świadczą o tym, że cząstki ulegają zjawiskom falowym? Faza realizacyjna: