- Eigenschaften des de Broglie-Atommodells
- Davisson und Germer experimentieren
- Einschränkungen
- Artikel von Interesse
- Verweise
Das De-Broglie-Atommodell wurde 1924 vom französischen Physiker Louis Broglie vorgeschlagen. In seiner Doktorarbeit stellte Broglie die Welle-Teilchen-Dualität von Elektronen fest und legte den Grundstein für die Wellenmechanik. Broglie veröffentlichte wichtige theoretische Ergebnisse zur Wellen-Korpuskel-Natur von Materie auf atomarer Ebene.
Später wurden die Aussagen von de Broglie 1927 von den Wissenschaftlern Clinton Davisson und Lester Germer experimentell demonstriert. Die Elektronenwellentheorie von De Broglie basiert auf Einsteins Vorschlag zu den Welleneigenschaften von Licht bei kurzen Wellenlängen.
Broglie kündigte die Möglichkeit an, dass Materie ein ähnliches Verhalten wie Licht aufweist, und schlug ähnliche Eigenschaften in subatomaren Teilchen wie Elektronen vor.
Elektrische Ladungen und Umlaufbahnen beschränken die Amplitude, Länge und Frequenz der von den Elektronen beschriebenen Welle. Broglie erklärte die Bewegung von Elektronen um den Atomkern.
Eigenschaften des de Broglie-Atommodells
Um seinen Vorschlag zu entwickeln, ging Broglie von dem Prinzip aus, dass Elektronen eine doppelte Natur zwischen Welle und Teilchen haben, ähnlich wie Licht.
In diesem Sinne machte Broglie ein Gleichnis zwischen beiden Phänomenen und basierend auf den Gleichungen, die Einstein für die Untersuchung der Wellennatur des Lichts entwickelt hatte, gab er Folgendes an:
- Die Gesamtenergie des Photons und folglich die Gesamtenergie des Elektrons ergibt sich aus dem Produkt aus Wellenfrequenz und Plank-Konstante (6,62606957 (29) × 10 -34 Jules x Sekunden), wie gezeigt detailliert im folgenden Ausdruck:
In diesem Ausdruck:
E = Energie des Elektrons.
h = Plankenkonstante.
f = Frequenz der Welle.
- Der lineare Impuls des Photons und damit des Elektrons ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge, und beide Größen hängen durch die Planksche Konstante zusammen:
In diesem Ausdruck:
p = Impuls des Elektrons.
h = Plankenkonstante.
λ = Wellenlänge.
- Der lineare Impuls ist das Produkt aus der Masse des Partikels und der Geschwindigkeit, die das Partikel während seiner Bewegung hat.
Wenn der obige mathematische Ausdruck in Abhängigkeit von der Wellenlänge umstrukturiert wird, haben wir Folgendes:
In diesem Ausdruck:
λ = Wellenlänge.
h = Plankenkonstante.
m = Masse des Elektrons.
v = Geschwindigkeit des Elektrons.
Da h, die Planksche Konstante, einen kleinen Wert hat, ist auch die Wellenlänge λ. Folglich kann festgestellt werden, dass die Welleneigenschaften des Elektrons nur auf atomarer und subatomarer Ebene auftreten.
- Broglie basiert auch auf den Postulaten von Bohrs Atommodell. Demnach sind die Bahnen der Elektronen begrenzt und können nur Vielfache ganzer Zahlen sein. So:
Wo:
λ = Wellenlänge.
h = Plankenkonstante.
m = Masse des Elektrons.
v = Geschwindigkeit des Elektrons.
r = Radius der Umlaufbahn.
n = ganze Zahl.
Nach Bohrs Atommodell, das Broglie als Grundlage angenommen hat, sind Elektronen, die sich wie stehende Wellen verhalten, nur solche, deren Radius einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge λ entspricht.
Daher erfüllen nicht alle Bahnen die notwendigen Parameter, damit sich ein Elektron durch sie bewegen kann. Deshalb können sich Elektronen nur in bestimmten Bahnen bewegen.
Die De-Broglie-Elektronenwellentheorie rechtfertigte den Erfolg von Bohrs Atommodell bei der Erklärung des Verhaltens des einzelnen Elektrons des Wasserstoffatoms.
In ähnlicher Weise wurde auch beleuchtet, warum dieses Modell nicht für komplexere Systeme geeignet war, dh für Atome mit mehr als einem Elektron.
Davisson und Germer experimentieren
Die experimentelle Überprüfung des At-Modells von de Broglie erfolgte 3 Jahre nach seiner Veröffentlichung im Jahr 1927.
Die führenden amerikanischen Physiker Clinton J. Davisson und Lester Germer bestätigten experimentell die Theorie der Wellenmechanik.
Davisson und Germer führten Streutests eines Elektronenstrahls durch einen Nickelkristall durch und beobachteten das Phänomen der Beugung durch das metallische Medium.
Das durchgeführte Experiment bestand aus der Durchführung des folgenden Verfahrens:
- In erster Linie wurde eine Elektronenstrahlanordnung mit bekannter Anfangsenergie platziert.
- Eine Spannungsquelle wurde installiert, um die Bewegung von Elektronen durch Anregung einer Potentialdifferenz zu beschleunigen.
- Der Fluss des Elektronenstrahls war auf einen Metallkristall gerichtet; in diesem Fall Nickel.
- Die Anzahl der Elektronen, die auf den Nickelkristall auftraten, wurde gemessen.
Am Ende des Experiments stellten Davisson und Germer fest, dass die Elektronen in verschiedene Richtungen gestreut waren.
Durch Wiederholen des Experiments mit Metallkristallen mit unterschiedlichen Orientierungen stellten die Wissenschaftler Folgendes fest:
- Die Streuung des Elektronenstrahls durch den Metallkristall war vergleichbar mit dem Phänomen der Interferenz und Beugung von Lichtstrahlen.
- Die Reflexion der Elektronen auf dem Einschlagkristall beschrieb die Flugbahn, die theoretisch nach der De-Broglie-Elektronenwellentheorie beschrieben werden sollte.
Kurz gesagt, das Davisson- und Germer-Experiment verifizierte experimentell die Doppelwellenpartikel-Natur von Elektronen.
Einschränkungen
Das De-Broglie-Atommodell sagt nicht die genaue Position des Elektrons auf der Umlaufbahn voraus, in der es sich bewegt.
In diesem Modell werden Elektronen als Wellen wahrgenommen, die sich ohne einen bestimmten Ort durch die Umlaufbahn bewegen, wodurch das Konzept eines elektronischen Orbitals eingeführt wird.
Darüber hinaus berücksichtigt das At-Broglie-Atommodell analog zum Schrödinger-Modell nicht die Rotation von Elektronen um dieselbe Achse (Spin).
Durch Ignorieren des intrinsischen Drehimpulses von Elektronen werden die räumlichen Variationen dieser subatomaren Teilchen vernachlässigt.
In diesem Sinne berücksichtigt dieses Modell auch nicht die Änderungen des Verhaltens schneller Elektronen als Folge relativistischer Effekte.
Artikel von Interesse
Schrödingers Atommodell.
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Verweise
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- Von Pamel, O. und Marchisio, S. (nd). Quantenmechanik. Nationale Universität von Rosario. Wiederhergestellt von: fceia.unr.edu.ar