Опыты по дифракции электронов и других частиц

Важным этапом в создании квантовой механики явилось установление волновых свойств микрочастиц. Идея о волновых свойствах частиц была первоначально высказана как гипотеза французским физиком Луи де Бройлем (1924). Эта гипотеза появилась благодаря следующим предпосылкам.

Гипотеза де Бройля была сформулирована до опытов, подтверждающих волновые свойства частиц. Де Бройль об этом позднее, в 1936 г. писал так: «...не можем ли мы предположить, что и электрон так же двойственен, как и свет? На первый взгляд такая идея казалась очень дерзкой. Ведь мы всегда представляли себе электрон в виде электрически заряженной материальной точки, которая подчиняется законам классической динамики. Электрон никогда не проявлял волновых свойств, таких, скажем, какие проявляет свет в явлениях интерференции и дифракции. Попытка приписать волновые свойства электрону, когда этому нет никаких экспериментальных доказательств, могла выглядеть как ненаучная фантазия».

В физике в течение многих лет господствовала теория, согласно которой свет есть электромагнитная волна. Однако после работ Планка (тепловое излучение), Эйнштейна (фотоэффект) и др. стало очевидным, что свет обладает корпускулярными свойствами.

Чтобы объяснить некоторые физические явления, необходимо рассматривать свет как поток частиц — фотонов. Корпускулярные свойства света не отвергают, а дополняют его волновые свойства. Итак, фотон — элементарная частица, движущаяся со скоростью света, обладающая волновыми свойствами и имеющая энергию е = hv, где v — частота световой волны.

Логично считать, что и другие частицы — электроны, нейтроны также обладают волновыми свойствами.

Выражение для импульса фотона р_ф получается из известной формулы Эйнштейна е = тс² и соотношений е = hv и р. = тс

(23.1)

где с — скорость света в вакууме, λ, — длина световой волны. Эта формула была

использована де Бройлем и для других микрочастиц -массой т, движущихся со скоростью и:

р = ти =h/λ откуда

(23.2)

По де Бройлю, движение частицы, например электрона, описывается волновым

процессом с характеристической длиной волны Я,, в соответствии с формулой (23.2). Эти волны

называют волнами де Бройля.

Гипотеза де Бройля была столь необычной, что многие крупные физики-современники не

придали ей какого-либо значения. Несколькими годами позже эта гипотеза получила экспери-

ментальное подтверждение: была обнаружена дифракция электронов.

Найдем зависимость длины волны электрона от ускоряющего напряжения U электрического

поля, в котором он движется. Изменение кинетической энергии электрона равно работе сил поля:

Выразим отсюда скорость v и, подставив ее в (23.2), получим

(23.3)

Для получения пучка электронов с достаточной энергией, который можно зафиксировать, например, на экране осциллографа, необходимо ускоряющее напряжение порядка 1 кВ. В этом случае из (23.3) находим Я, = 0,4 • 10~¹⁰ м, что соответствует длине волны рентгеновского излучения.

Дифракция рентгеновских лучей наблюдается на кристаллических телах; следовательно, для дифракции электронов необходимо также использовать кристаллы.

К. Дэвиссон и Л. Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов на монокристалле никеля, Дж. П. Томсон и независимо от него П. С. Тартаковский — на металлической фольге (поликристаллическое тело). На рис. 23.1 изображена электронограм-ма — дифракционная картина, полученная от взаимодействия электронов с поликристаллической фольгой. Сравнивая этот рисунок с рис. 19.21, можно заметить сходство дифракции электронов и рентгеновских лучей.

Способностью дифрагировать обладают и другие частицы, как заряженные (протоны, ионы и др.), так и нейтральные (нейтроны, атомы, молекулы).

Аналогично рентгеноструктурному анализу можно применять дифракцию частиц для оценки степени упорядоченности расположения атомов и молекул вещества, а также для измерения параметров кристаллических решеток. В настоящее время широкое распространение имеют методы электронографии (дифракция электронов) и нейтронографии (дифракция нейтронов).

Может возникнуть вопрос: что происходит с отдельными частицами, как образуются максимумы и минимумы при дифракции отдельных частиц?

Опыты по дифракции пучков электронов очень малой интен
сивности, т. е. отдельных частиц, показали, что при этом электрон
не «размазывается» по разным направ
лениям, а ведет себя как целая частица.
Однако вероятность отклонения элект
рона по отдельным направлениям в ре
зультате взаимодействия с объектом
дифракции различна. Наиболее вероят
но попадание электронов в те места, ко
торые по расчету соответствуют макси
мумам дифракции, менее вероятно их
попадание в места минимумов. Таким
образом, волновые свойства присущи
не только коллективу электронов, но и
каждому электрону в отдельности. Рис23.1