Експериментальні підтвердження гіпотези де Бройля
Критерієм істинності будь-якої фізичної теорії, будь гіпотези завжди є експеримент. Необхідність експериментальної перевірки гіпотези де Бройля була тим більш актуальна, що, по-перше, ця гіпотеза стосувалася глибинних, фундаментальних властивостей матерії, а по-друге, наявність у часток хвильових властивостей не відповідало традиційним уявленням класичної фізики.
Перші експериментальні дослідження, які підтвердили хвильову природу частинок, були виконані американськими фізиками К. Девіссона і Л. Джермером, а також незалежно англійським фізиком Дж. П. Томсоном в 1927р. У цих роботах використовувалася дифракція електронів на кристалічній решітці. Перш ніж перейти до докладного опису цих експериментів, зазначимо таке. Як вже обговорювалося вище, дебройлевская довжина хвилі електрона при не дуже великому значенні прискорюючою різниці потенціалів (~ 100 В) по порядку величини складає м. Цей же порядок величини характерний для відстані між атомними площинами в кристалі. Тому, так само, як і у випадку рентгенівських променів, кристал може грати роль дифракційної решітки для електронних хвиль.
Розглянемо дифракцію електронів на досконалому кристалі, тобто кристалі, що володіє ідеальною, без будь-яких порушень кристалічною решіткою. Електрони з дебройлевской довжиною хвилі можуть дифрагувати на різних атомних площинах (рис.2.1), вибір яких здійснюється взаємною орієнтацією падаючого пучка електронів і рассеивающего кристала. Нехай електрони падають на кристал під кутом ковзання по відношенню до розсіює сімейства площин.
При аналізі дифракції електронів на полікристала виникло наступне запитання: можна було допустити, що дифракцию відчувають не електрони, а вторинне рентгенівське випромінювання, що випускається атомами кристала під дією електронного пучка. Для того щоб однозначно встановити природу дифрагувати частинок (електрони або рентгенівські кванти), в області між фольгою і фотопластинкою було створено магнітне поле. Якщо дифракцию відчувають електрони, то вони будуть відхилятися магнітним полем, що призведе до спотворення дифракційної картини. Якщо ж дифрагує рентгенівське випромінювання, то система кілець повинна залишитися без змін. Експеримент з магнітним полем показав, що дифракційне відображення відчувають саме електрони.
Дифракція одиночних електронів. Розглянуті вище експерименти проводилися з досить інтенсивними пучками частинок, в даному випадку електронів. Тому виявлення в них хвильові властивості могли бути приписані як ансамблю взаємодіючих між собою електронів, так і окремому електрону. Для того, щоб з’ясувати, чи володіє індивідуальна частка хвильовими властивостями, група вітчизняних фізиків на чолі з В. А. Фабрикантом виконала в 1949 г дифракційні дослідження з дуже слабким пучком електронів. У цих дослідах проміжок часу між двома послідовними проходженнями електронів через кристал в 30000 разів перевищував час, що витрачається одним електроном на проходження всього приладу. Таким чином, електрони дифрагувати в кристалі поодинці і повністю виключалося взаємодія електронів один з одним як причина виникнення дифракційної картини. Якісний вид розподілу дифрагувати електронів по фотоплатівці наведено на рис. 2.8. При невеликій тривалості експерименту точки нафотоплатівці, що відповідають попаданню електронів, розподілені абсолютно випадковим чином (рис.2.8). Однак при достатній тривалості експерименту розподіл точок набуває характерного для дифракції на полікристала вид концентричних кілець (ріс.2.8б). Таким чином було доведено, що хвильові властивості притаманні окремим електрону.
Досліди по дифракції без кристалів. Перші досліди, які підтвердили гіпотезу де Бройля, були виконані на кристалах, які є найбільш зручною дифракційної гратами, створеної природою для спостереження дифракції електронних хвиль. Надалі з електронами було здійснено ряд дифракційних дослідів, аналогічних тим класичним дослідам, які добре відомі в оптиці. Спостерігалася дифракція електронів на краї напівнескінченної площині, на двох щілинах і т. д. Були виконані досліди по дифракції електронів в неоднорідному електричному полі, яке відігравало роль аналога біпрізми Френеля. Всі ці експерименти підтвердили наявність у електронів хвильових властивостей.
Ефект Рамзауера. У 1921 р німецький фізик К. Рамзауер, досліджуючи пружне розсіяння електронів на атомах аргону, виявив явище, яке не знаходило пояснення в рамках класичної фізики. Лише через кілька років стало ясно, що це явище є ще одне підтвердження хвильових властивостей електрона і є електронним аналогом добре відомого в оптиці плями Пуассона.
Звернення в нуль означає, що атоми аргону стають ніби прозорими для електронів, тобто електрон проходить через атом аргону, не розсіювалися на ньому. Цей експериментальний результат, абсолютно не сумісний з уявленнями класичної фізики, знаходить своє пояснення при обліку хвильової природи електрона.
З оптики відомо, що при дифракції на непрозорому диску в центрі геометричної тіні може існувати яскрава пляма, зване плямою Пуассона. У досвіді Рамзауера роль такого диска грає атом аргону. Якщо енергія електрона така, що його дебройлевская довжина хвилі порівнянна з діаметром атома, то в результаті дифракції електрона на атомі виникає пляма Пуассона для електронної хвилі. Це означає, що електрони проходять через атом аргону, не відчуваючи будь-якого відхилення від напрямку свого початкового руху. Надалі подібне явище було виявлено та для атомів інших інертних газів – криптону і ксенону. Та обставина, що ефект Рамзауера спостерігається тільки в інертних газах, пояснюється тим, що атоми інертних газів мають повністю заповнену зовнішню електронну оболонку, вони сферично симетричні і мають досить різкій зовнішнім кордоном.
Тут ми обмежилися якісним аналізом ефекту Рамзауера. Рішення квантово-механічної задачі про розсіяння електрона на атомі, що дозволяє отримати певні кількісні співвідношення, наведено в розділі 4.4.
Досліди з нейтронами і пучками часток. До цих пір, обговорюючи хвильову природу мікрочастинок, ми основну увагу приділяли електрону. Це цілком природно, оскільки перші експерименти, які підтвердили наявність у часток хвильових властивостей, були виконані саме з електронами. Але відповідно до гіпотези де Бройля хвильовими властивостями повинні володіти та інші мікрочастинки – атоми, іони, молекули, а також відкриті пізніше електрона такі елементарні частинки, як, наприклад, протони, нейтрони і т. д. Всі ці частинки по відношенню до електрона є важкими частинками, так як їх маса значно, у кілька тисяч разів, перевершує масу електрона. Оскільки довжина хвилі де Бройля обернено пропорційна масі частинки, то при однакових швидкостях довжина хвилі де Бройля важких частинок виявляється істотно менше дебройлевской довжини хвилі електрона. Для того, щоб спостерігати дифракцію важких частинок на кристалах, необхідно, щоб їх дебройлевская довжина хвилі була порівнянна з межплоскостним відстанню в кристалі (~ 10-10м), а це виявляється можливим тільки у випадку повільних частинок.
Подальше вдосконалення техніки експерименту дозволило спостерігати дифракцію на кристалах важких частинок, наприклад, атомів гелію і молекул водню. Особливість цих дослідів полягала в тому, що дифрагувати атоми і молекули через малій швидкості не могли проникнути вглиб кристала і випробовували дифракцию на двовимірної решітці, утвореної атомами кристала на його поверхні.
Велике значення мало проведення дифракційних дослідів з нейтронами. У нейтронів немає електричного заряду і тому навіть при малих швидкостях вони можуть вільно проникати в кристал і дифрагувати на тривимірною, просторової кристалічній решітці. Джерелами нейтронів є ядерні реакції, тому інтенсивний пучок нейтронів, необхідний для проведення дифракційних досліджень, може бути отриманий від ядерних реакторів або на прискорювачах заряджених частинок.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)