Nhiễu xạ electron và bước sóng de Broglie – ống nhiễu xạ, hai khe, kính hiển vi điện tử

Phục vụ chủ đề Vật lí lượng tử (Chương trình GDPT 2018), phần lưỡng tính sóng – hạt. Theo giả thuyết de Broglie, mỗi hạt có bước sóng λ = h/p; electron được tăng tốc qua hiệu điện thế U có động lượng p = √(2meU) nên λ = h/√(2meU), cỡ vài picômét với vài kilôvôn. Lá graphite đa tinh thể đóng vai trò cách tử: phản xạ Bragg 2d·sinθ = λ trên hai họ mặt mạng tạo hai vòng sáng trên màn huỳnh quang, U càng lớn thì vòng càng nhỏ. Màn Ống nhiễu xạ: kéo thanh hiệu điện thế, chỉnh thước vòng cho trùng với một vòng (kéo trên màn hoặc dùng thanh trượt), chọn vòng trong hay vòng ngoài rồi bấm Ghi số đo; bảng tính λ và d = 2Lλ/D, đồ thị D theo 1/√U cho đường thẳng qua gốc toạ độ để suy ra khoảng cách mặt mạng. Có thể so sánh với vòng nhiễu xạ của tia X cùng bước sóng và đưa nam châm lại gần để thấy chỉ ảnh của electron bị lệch. Màn Hai khe cho electron đến màn từng hạt một và dần tạo thành vân giao thoa, có thể đóng một khe hoặc bật máy dò xem electron qua khe nào, đổi sang phôtôn (nguồn phát từng phôtôn, bước sóng ánh sáng nhìn thấy 400–700 nm) để thấy ánh sáng cũng cho vân từ những chấm riêng lẻ, phát từng hạt một bằng nút Phát một hạt, và chuyển sang chế độ một khe đổi độ rộng b: khe càng hẹp thì ảnh càng toả rộng vì độ bất định vị trí Δx ≈ b giảm còn độ bất định động lượng Δp ≈ h/b tăng, đúng hệ thức bất định Heisenberg Δx·Δp ≥ h/4π; màn Kính hiển vi so sánh năng suất phân li của kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử truyền qua. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao các vòng nhiễu xạ nhỏ lại khi tăng hiệu điện thế tăng tốc? – Vì sao nam châm làm lệch vòng nhiễu xạ của electron nhưng không làm lệch vòng của tia X? – Vì sao vân giao thoa biến mất khi có máy dò cho biết electron đi qua khe nào?