ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНА

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892—1987) предположил, что все частицы вещества, подобно свету, обладают волновыми свойствами. Связь между волновыми и корпускулярны­ми свойствами частиц такая же, как и между соответствующими свойствами света. Энергия частицы Е равна энергии кванта волно­вого поля с частотой v, т. е. Е = h v, где h — постоянная Планка, а импульс частицы р = hk, где к — волновое число, h =h/2n. Поведе­ние частиц, так же как при рассмотрении фотонов, описывалось с помощью волнового поля, интенсивность которого определяла веро­ятность того, что частица может быть обнаружена в определенной области пространства. Гипотеза де Бройля основывалась на сходстве уравнений, описывающих поведение лучей света и частиц вещества, и носила исключительно теоретический характер. Для ее подтверж­дения или опровержения требовались экспериментальные факты.

Первое опытное подтверждение гипотезы де Бройля было полу­чено в опытах американских исследователей Девиссона и Джермера в 1927 г., изучавших рассеяние электронов на монокристалле никеля. Схема эксперимента приведена на рисунке.

 

Схема эксперимента Девиссона и Джермера

 

Электроны, вылетающие из раскаленной нити 1, попадали в ускоряющее электрическое поле, создаваемое между электродами 1 и 2, с разностью потенциалов U, в котором они приобретали ки­нетическую энергию mv²/2 = eU.

Пройдя отверстие в электроде 2, электроны попадали на крис­талл никеля J, на котором происходило их рассеяние. При помощи детектора, ведерка Фарадея 4, соединенного с электрометром 5, из­мерялось число электронов, рассеянных на угол 6 от нормали к гра­ни кристалла. Меняя положение детектора, можно было исследовать зависимость числа рассеянных электронов от угла θ при различных значениях энергии электронов.

В опытах Девиссона и Джермера были установлены два замеча­тельных факта:

наблюдалась зависимость числа рассеянных электронов от угла рассеяния, причем максимум числа электронов при данном значе­нии ускоряющего напряжения соответствовал максимуму дифракци­онной картины, если считать кристалл никеля дифракционной ре­шеткой, а электронам приписать длину волны в соответствии с ги­потезой де Бройля;

при данном угле падения и изменении скорости электронов l>, что достигалось изменением напряжения U, ускоряющего электроны, интенсивность отраженного пучка периодически изменялась (рис. 113).

Зависимость числа дифраги­рованных электронов от ускоряющего напряжения

 

Электроны вели себя так, будто они были волнами. По ре­зультатам эксперимента удалось установить, что длина волны электронов в точности соответ­ствовала предположению Луи де Бройля.

Позже Д ж. П. Т о м с о н у, сыну Дж. Дж. Томсона, удалось получить дифракционную кар­тину, пропуская электроны с энергией нескольких десятков тысяч эВ через тонкие метал­лические пленки .

Дифракция электронов

 

Электронная дифракционная картина очень похожа на рентгеновскую картину дифракции. Чтобы доказать, что она не вызвана вторичными рентгеновскими луча­ми, возникающими при торможе­нии электронов в веществе, вдоль фотопластинки, где образовывалась электронная дифракционная кар­тина, создавалось магнитное поле. При этом дифракционная картина смещалась поперек поля. Если бы картина создавалась рентгеновски­ми лучами, то никакого смещения не было бы. Усилия Дж. П. Томсона и К. Дж. Девиссона были отмечены в 1937 г. Нобелевской премией.

Позже дифракцию наблюдали и для более тяжелых заряженных частиц, а также для нейтральных атомов.

В 1949 г. советские физики Л. М. Биберман, Н. Г. Сушкин, В. А. Фабрикант, пропуская через дифракционное устройство сла­бый по интенсивности поток электронов, обнаружили явление ди­фракции. В опыте промежуток времени между последовательными прохождениями электронов сквозь мишень в 3 • 10⁴ раз превышал время прохождения отдельного электрона через экспериментальную установку. Этот эксперимент можно интерпретировать так, что каж­дый электрон дифрагирует, проходя через дифракционную решетку, а вероятность его обнаружения на экране за решеткой определяется волновой функцией, описывающей поведение электрона в свобод­ном пространстве.

Эксперименты по дифракции электронов и других микрочастиц вещества с очевидностью убеждают в том, что вещество, так же как и электромагнитное поле, обладает волновыми свойствами. Это об­стоятельство является чрезвычайно удивительным, так как находит­ся в резком противоречии со сложившимися представлениями об окружающем нас физическом мире.

Действительно, модель корпускулы—частицы, с помощью кото­рой в классической физике описывали движение макроскопических тел, подразумевает локализацию этих тел в пространстве, при этом координаты частицы и ее скорость могут быть определены одновре­менно в любой момент времени. Однако эксперименты по дифрак­ции электронов разрушают эти представления, так как невозможно представить себе электрон проходящим через две щели сразу, как это следует из результатов таких экспериментов.

Переход на язык классического волнового описания поведения электрона также мало что дает, так как электрон во всех эксперимен­тах регистрируется всегда целиком, и все попытки определить, через какую щель в опыте по дифракции все-таки он проходит, оканчива­ются неудачей.

Единственным выходом из создавшегося положения явился от­каз от классических моделей волны или частицы при описании свойств микрообъектов. С точки зрения такого подхода электрон, так же как и фотон или какой-то другой микрообъект, не является ни волной, ни частицей. Микрообъекты представляют собой кван­товые образования; их поведение можно описать с помощью волно­вой функции, интенсивность которой пропорциональна вероятнос­ти нахождения частицы в определенной области пространства в оп­ределенный момент времени. Раздел физики, в котором изучается поведение микрочастиц, получил название квантовой механики. С помощью квантовой механики получены наиболее убедительные результаты при объяснении физики атомов и молекул и закономер­ностей их спектров.