基本例題98 電子線の回折

設問(1) 電子の運動量 $p$

直感的理解
電子は波としてふるまい、結晶格子による回折を示します。X線回折と同じブラッグの条件が成り立ち、電子線も波動性をもつことが実証されます。

$E = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{p^2}{2m}$ より:

答え:
$$p = \sqrt{2mE}$$
Point

$E = p^2/(2m)$ の関係は電子に限らず全ての粒子で成立。$p = \sqrt{2mE}$。

設問(2) 電子線の波長 $\lambda$

直感的理解
ド・ブロイの関係式 $\lambda = h/p$ で粒子の波長が決まります。運動量が大きいほど波長は短くなります。

ド・ブロイの関係式より:

$$\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{\sqrt{2mE}}$$
答え:
$$\lambda = \frac{h}{\sqrt{2mE}}$$
Point

ド・ブロイ波長 $\lambda = h/p = h/\sqrt{2mE}$。エネルギーが大きいほど波長は短い。

設問(3) $E$ を $m, d, \theta_0, h$ で表す

直感的理解
ブラッグの条件 $2d\sin\theta = n\lambda$ で $n = 1$(初めての極大)を使い、ド・ブロイ波長を代入して $E$ を求めます。

$\theta = \theta_0$ で初めて極大($n = 1$)なので:

$$2d\sin\theta_0 = \lambda = \frac{h}{\sqrt{2mE}}$$

$E$ について解くと:

$$\sqrt{2mE} = \frac{h}{2d\sin\theta_0}$$ $$2mE = \frac{h^2}{4d^2\sin^2\theta_0}$$ $$E = \frac{h^2}{8md^2\sin^2\theta_0}$$
答え:
$$E = \frac{h^2}{8md^2\sin^2\theta_0}$$
補足:運動量保存則が成り立つ条件

外力の合力がゼロ(または衝突時間が極めて短く外力の力積が無視できる)のとき、系全体の運動量は保存されます。

電子線回折の具体計算

加速電圧 $V = 150$ V で加速された電子のド・ブロイ波長は

$$\lambda = \frac{h}{\sqrt{2m_e eV}} = \frac{6.63 \times 10^{-34}}{\sqrt{2 \times 9.1 \times 10^{-31} \times 1.6 \times 10^{-19} \times 150}}$$ $$\lambda \fallingdotseq 1.00 \times 10^{-10} \text{ m}$$

結晶面間隔 $d = 2.0 \times 10^{-10}$ m の結晶にこの電子線を入射させると、ブラッグの条件 $2d\sin\theta = n\lambda$ から($n=1$)

$$\sin\theta = \frac{\lambda}{2d} = \frac{1.00 \times 10^{-10}}{2 \times 2.0 \times 10^{-10}} = 0.25, \quad \theta \fallingdotseq 14.5°$$

電子線は波動性を示し、X線と同様に結晶で回折を起こします。

Point

ブラッグの条件 + ド・ブロイの式を組み合わせて解く。回折実験から電子の波長→運動量→エネルギーが決まる。