Волновые свойства микрочастиц. Дифракция электронов

При изучении свойств микрообъектов (линейный размер менее или около 10^{-9 м) у микрочастиц обнаруживаются новые свойства - волновые. То есть, к описанию микрочастиц правомочен двойственный корпускулярно-волновой подход, характерный при рассмотрении электромагнитного излучения.}

Вспомним дифракцию рентгеновских лучей:

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны l порядка 10^{-10 м. Атомы в кристаллах расположены друг от друга примерно на таком же расстоянии и образуют хорошую дифракционную решётку, рис.1.1. Рентгеновские лучи, рассеянные узлами кристаллической решётки, интерферируют между собой так, что в одних направлениях возникают максимумы интенсивности рассеянных волн, а в других наблюдается их полное гашение. Это явление, объединяющее рассеяние и последующую интерференцию волн, называют дифракцией рентгеновских лучей.}

Вспомните, что условием наблюдения максимума на дифракционной картине является условие Вульфа-Брэгга:

2dsinq = nl, (1.1)

Рис. 1.1

где d — межплоскостное расстояние, q — угол скольжения, l — длина волны и n — целое число (1,2,3 и т.д.). Если взять q=const₁ и d=const₂, то в таком опыте nl = const_1,2 и n = const_1,2/l. Действительно, если плавно изменять l и регистрировать интенсивность рентгеновских лучей (I), то имеем картину вида рис. 1.2.

То есть, получаем серию пиков при определённых значениях n, что является следствием дифракции рентгеновских лучей.

Рассмотрим теперь опыт с электронами, проведённый в 1927 году американскими учёными К. Дэвиссоном и Л. Джермером (опыт Дэвиссона и Джермера), рис. 1.3. Все измерения выполнялись в вакууме, при этом исследовалась зависимость силы тока i от энергии электронов или, иначе говоря, от ускоряющего напряжения i (U).

Рис.1.3

Если представить электроны, как частицы, то с увеличением U происходит рост их энергии, они рассеиваются во все стороны, и сила тока слабо, но должна повышаться с ростом приложенного напряжения. Однако, результаты опыта Дэвиссона и Джермера прямо указали на дифракцию электронов, рис. 1.4 (полезно сопоставить рис. 1.2 и 1.4, кривые отнормированы по максимуму интенсивности).

Таким образом, с движением электронов связана какая-то волна, длина которой или , где e — заряд электрона.

С учётом, что

(1.2)

имеем

, (1.3)

где J — скорость электрона.

В том же 1927 году сын выдающегося английского физика Дж. Томсона, Томсон-младший наблюдал интерференцию быстрых электронов при прохождении их через тонкую металлическую фольгу. За эти пионерские работы Дэвиссон и Томсон в 1937 году получили Нобелевскую премию.

Если на пути электронного или рентгеновского излучения поставить поликристаллический образец (набор хаотически ориентированных монокристаллов), то под углом q к падающему возбуждению найдётся много кристалликов, поэтому максимумы на дифракционной картине будут расположены по конусу. Сечением этих конусов с помощью, например, фотопластинки можно получить систему дифракционных колец.

В 1948 году Фабрикант, Биберман и Сушкин осуществили опыт с дифракцией электронов, когда через дифракционный прибор пропускался столь слабый пучок электронов, что промежуток времени между приходом электрона на фотопластинку был существенно (примерно в 30000 раз) больше времени прохождения одним электроном данного прибора. При длительной экспозиции получалась дифракционная картина, свойственная пучку электронов большой интенсивности. Этот эксперимент свидетельствовал о том, что волновыми свойствами обладает каждый отдельно взятый электрон.

Существенное отличие в дифракции электронов и рентгеновских лучей состоит в том, что рентгеновские лучи рассеиваются только электронами атома, электроны же рассеиваются электрическими полями электронов атома и атомных ядер. Поэтому в рассеянии электронов участвуют только тончайшие слои вещества (толщиной 2¸100 нм, особенность электронного микроскопа), в то время как рентгеновскую интерференционную картину дают обычно значительно более глубинные слои (например, толщиной 10³¸10⁴ нм при рентгеноструктурном анализе полупроводниковых кристаллов).

Пучки медленных нейтронов подобно рентгеновским лучам и электронам при взаимодействии с кристаллами также дают дифракционную картину. Основным видом взаимодействия нейтронного излучения с веществом является ядерное взаимодействие.

Таким образом, волновые свойства присущи любым микрочастицам, как заряженным, так и нейтральным. Микрочастица — это волна, а волна — это микрочастица. В этом плане любопытен электронный микроскоп, где фокусировка возможна потому, что электрон представляет собой заряженную частицу, а высокое разрешение вызвано его очень короткой длиной волны.

Поиск по сайту: