В 1927 году в лаборатории Bell Labs произошел взрыв сосуда с жидким воздухом, который нечаянно разбил колбу с образцом никеля. Эта случайность привела к удивительному открытию – дифракции электронов на кристаллической решетке, которая подтвердила революционную гипотезу о волновых свойствах частиц.
Предпосылки опыта Дэвиссона и Джермера
В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что частицы могут обладать волновыми свойствами. Это стало основой теории корпускулярно-волнового дуализма. До этого уже были проведены опыты по
дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, которые подтверждали волновую природу излучения. Однако волновые свойства самих частиц вещества еще не были доказаны.
В 1925 году немецкий физик Вальтер Эльзессер выдвинул идею о возможности
наблюдения дифракции электронов при их рассеянии в кристаллической решетке. Это могло бы подтвердить гипотезу де Бройля. Именно эта идея и легла в основу знаменитого опыта Дэвиссона и Джермера.
Подготовка установки для эксперимента
Американские физики Клинтон Джозеф Дэвиссон и Лестер Гермер работали в лаборатории Bell Labs компании AT&T. Они занимались исследованием рассеяния электронов на металлах. Для опытов использовалась специальная вакуумная установка с электронной пушкой.
Однажды произошел взрыв сосуда с жидким воздухом, который разбил колбу с образцом никеля. При нагревании для очистки образовались участки монокристалла. Это кардинально изменило ход дальнейших экспериментов.
- Электронная пушка создавала пучок электронов с энергией 20-150 эВ
- Образец никеля имел размеры 8×5×3 мм с гранью (111)
- Эксперимент проводился в вакууме
Такая установка позволяла реализовать предложенный Эльзессером подход по рассеянию электронов на кристаллической решетке.
Проведение опыта Дэвиссона и Джермера
В 1927 году Дэвиссон и Джермер провели свой знаменитый эксперимент. Они облучали монокристалл никеля пучком электронов и анализировали интенсивность рассеянного излучения в зависимости от угла.
К удивлению ученых, на фотопластинке четко проявилась дифракционная картина, аналогичная дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. Это означало, что электроны ведут себя как волны.
Полученная длина электронных волн хорошо соответствовала значению, предсказанному гипотезой де Бройля об их двойственной природе. Так волновые свойства частиц были впервые продемонстрированы экспериментально.
| Условие максимума интенсивности: | dhklsinθ = nλ |
| Где dhkl - межплоскостное расстояние | λ - длина волны электрона по де Бройлю |
Знаменитый опыт Дэвиссона и Джермера явился принципиальным прорывом в понимании квантово-механических свойств микрочастиц. Он послужил фундаментом новой науки и получил широкую известность как в научном мире, так и в широких слоях общественности. Особенно интересно, что все началось с несчастного случая в лаборатории!
Одновременные эксперименты других ученых
Независимо от Дэвиссона и Джермера аналогичные опыты по дифракции электронов велись в то время и другими физиками.
Эксперименты Дж.П. Томсона в Англии
Английский ученый Джордж Паджет Томсон, сын открывателя электрона Дж.Дж. Томсона, проводил опыты по рассеянию катодных лучей (пучков электронов) на различных пластинках.
В результате на фотопластинке также наблюдались характерные кольца от дифракции электронов. Это независимо подтверждало предсказанные де Бройлем волновые свойства частиц.
Эксперименты П.С. Тартаковского в СССР
Советский физик Петр Саввич Тартаковский проводил похожие опыты, облучая тонкие фольги из различных материалов пучком электронов.
Он также наблюдал на фотопластинках концентрические кольца - результат дифракции электронов на кристаллической решетке поликристаллов.
Значение опыта Дэвиссона и Джермера
Опыты Дэвиссона и Джермера по дифракции электронов на кристалле имели огромное значение для развития физики.
- Они впервые экспериментально подтвердили существование волновых свойств у частиц.
- Была доказана правильность революционной гипотезы де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме.
- Это послужило толчком к интенсивному развитию квантовой механики.
Нобелевские премии за открытие волн де Бройля
За предсказание волновых свойств частиц Луи де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике в 1929 году.
В 1937 году эту же премию разделили К.Дэвиссон с Л.Джермером и Дж.П.Томсоном за экспериментальное открытие дифракции электронов.
Применение дифракции электронов в науке и технике
Открытие дифракции электронов на кристаллических решетках породило целое научное направление - дифракцию низкоэнергетических электронов (ДНЭЭ).
В этом методе используются электроны с энергиями порядка десятков-сотен эВ, соответствующие длинам волн 0,1-0,4 нм. Это позволяет анализировать структуру поверхности образцов на атомном уровне.
Исследование поверхности материалов
ДНЭЭ широко используется в физике твердого тела для изучения структуры поверхности различных материалов:
- Определение параметров кристаллической решетки
- Анализ химического состава и чистоты поверхности
- Исследование адсорбции молекул
Применение в электронной микроскопии
Эффект дифракции лежит в основе растровой электронной микроскопии. Пучок электронов сканирует поверхность образца, дифрагируя на атомах.
Это позволяет получать изображения наноструктур с атомным разрешением для изучения морфологии и локального химического состава.
Перспективы развития методов
Дифракция низкоэнергетических электронов продолжает активно развиваться. Создаются новые экспериментальные установки, расширяются области применения.
В частности, ведутся работы по использованию дифракции электронов для анализа биологических объектов, лекарственных препаратов, катализаторов и других материалов.
Воспроизведение эксперимента в учебных целях
Классический опыт Дэвиссона и Джермера по дифракции электронов может быть повторен и в учебных лабораториях вузов. Конечно, в упрощенном варианте.
Учебная экспериментальная установка
Для этого можно собрать следующую установку:
- Вакуумный диод с нитью накала (электронная пушка)
- Образец монокристаллического кремния или германия
- Фотопластинка или ПЗС-матрица в качестве детектора
Методика эксперимента
- Создать вакуум в установке (~10-5 Торр)
- Ускорить электроны с помощью напряжения порядка сотен вольт
- Получить дифракционную картину на детекторе
Анализ результатов
По полученным данным студенты могут:
- Рассчитать длину волны электронов
- Определить параметры кристаллической решетки
- Сравнить с теоретическими значениями
Такой подход позволяет наглядно продемонстрировать квантовые свойства частиц и закрепить знания студентов.
