Difracia electronilor

Autori: Drdr Mdlina, Mrinic Mdlina, Sandu Ioana,Dimitriu Drago Clasa a XII-a A Prof. coord: Cristina Smirnov

Difracia electronilorDifracia electronilor este o tehnic folosit pentru a studia materia, prin bombardarea cu electroni a unei probe i observarea ablonului de interferen rezultat. Acest fenomen are loc din cauza dualitii und-particul, conform creia, o particul de materie (n acest caz electronul incident) poate fi descris ca o und. Din acest motiv, un electron poate fi vzut ca o und, ca sunetul sau undele de pe suprafaa apei. Aceast tehnic este similar cu difracia razelor X i difracia neutronilor. Difracia electronilor este cel mai adesea folosit n fizica semiconductorilor i n chimie pentru a studia structura cristalin a solidelor. Aceste experimente sunt de regul efectuate ntr-un microscop electronic cu transmisie (MET), sau cu scanare (MES). n aceste instrumente, electronii sunt accelerai de un potenial electrostatic pentru a cpta energia dorit i a fi fcui s aib o anume lungime de und nainte de a interaciona cu proba de studiat. Structura periodic a unui solid cristalin mprtie electronii ntr-o manier previzibil. Analiznd ablonul de difracie observat, poate fi posibil s se deduc structura cristalului care produce acel ablon. Totui, tehnica este limitat de problema fazei.

Istoric

Ipoteza de Broglie, formulat n 1926, prezicea c particulele trebuie s se comporte i ca unde. Formula lui de Broglie a fost confirmat trei ani mai trziu pentru electroni (care au mas de repaus) cu observarea difraciei electronilor n dou experimente separate. 1. La Universitatea Aberdeen, George Paget Thomson a trecut o und de electroni printr-un film de metal subire i a observat abloanele de interferen prezise. 2. La Laboratoarele Bell, Clinton Joseph Davisson i Lester Halbert Germer i-au trecut fluxul de electroni printr-o reea cristalin.

Thomson i Davisson au primit Premiul Nobel pentru Fizic n 1937pentru aceste experimente.

Confirmarea experimentala a ipotezei lui de BroglieAfirmatiile indraznete ale lui de Broglie si-au dobandit valoarea numai dupa validarea lor experimentala. In 1927 ,la laboratoarele Bell,Clinton Davisson si Lester Germer au descoperit difractia electronilor ,dovedind astfel proprietatile ondulatorii ale particulelor .

Reteaua cristalului de grafit.

Experimentul lor a constat in trimiterea unui fascicul de electroni accelerati sub o anumita tensiune catre un cristal de nichel. Fasciculul ,reflectat prin difractie sub un anumit unghi este captat cu ajutorul unui cilindru Faraday si curentul este masurat cu un galvanometru.

Astfel, a fost obinut o figur de difracie cu fascicule de electroni asemenea figurilor de difracie care se obin cu fascicule de lumin.

In urma experimentului s-a constatat existenta unor maxime ale intensitatii fascicului de electroni in cateva directii bine precizate. Primul maxim s-a obtinut pentru un unghi = 50 si o tensiune de accelerare U=54.Aplicand relatia de Broglie pentru aceste valori s-a obtinut o valoare a lungimii de unda asociate electronilor egala cu =0.165 nm . Daca se aplica conditia de difractie dupa Bragg,avand in vedere ca valoarea constantei retelei de nichel este de 0,150 nm,pentru primul maxim de difractie se obtine =0.165nm. Concordanta intre cele doua rezultate a fost o dovada a corectitudinii ipotezei lui de Broglie.

Maxime de difracie se obin atunci cnd este ndeplinit urmtoarea condiie:

d

este distanta interplanara este unghiul Bragg (unghiul dintre fasciculul de electroni si planele reticulare).

Aplicaii practice

Aplicaii practiceMicroscopul electronic este un tip de microscop folosete electroni pentru a ilumina specimenul i a crea o imagine mrit a acestuia. Microscoapele electronice au rezoluie superioar microscoapelor cu lumin, i pot mri de mult mai multe ori imaginea. Unele microscoape electronice ajung s mreasc de 2 milioane de ori, pe cnd cele mai bune microscoape cu lumin mresc de 2 000 de ori.

Fig 1 :Microscop electronic

Fig 2 : Imagine a unei furnici la microscopul electronic

Fineea de percepie a microscoapelor este strns legat de lungimea de und a razelor cu care se ilumineaz obiectul studiat. Cu ct lungimea de und a acestora este mai mic, cu att rezoluia obinut crete. Dac ne raportm la formula lui de Broglie (=h/p) i facem o comparaie ntre fotoni i electroni, rezult n mod clar faptul c undele de materie asociate electronului au lungimi de und mai mici dect cele ale luminii vizibile. Pentru undele electromagnetice din spectrul vizibil lungimea de und este n zona 400-800 nm, n timp ce undele asociate electronilor folosii n microscoapele electronice moderne au valori mai mici de 1pm. Astfel, anumite microscoape electronice ajung s mreasc de 2 milioane de ori, pe cnd cele mai bune microscoape optice mresc de doar 2 000 de ori.

Bibliografie I.G. Murgulescu Introducere n chimia fizic, vol.I,1 Atomi.Molecule.Legtura chimic, Editura Academiei RSR, Bucureti, 1976 I.G. Murgulescu Introducere n chimia fizic, vol.I,2 Structura i proprietile moleculelor, Editura Academiei RSR, Bucureti, 1979 www.didactic.ro http://ro.wikipedia.org/wiki/Microscop_electronic