2.11. Ефект Рамзауера

Рис.2.12. Залежність .

Ще більш цікаві й несподівані властивості електронів вдалося виявити при дослідженні пружного розсіяння повільних електронів при у розріджених газах. Ці досліди були виконані німецьким фізиком К. Рамзауером у 1921 році. Виявилося, що при зменшенні енергії електронів повний переріз пружного розсіяння електронів зростає, досягає максимального значення при певних величинах , а потім при подальшому зменшенні сильно зменшується майже до нуля. Атом стає майже прозорим для повільних електронів.

На схематичному рис. 2.12 зображені залежності для трьох інертних газів , де – прискорюючий потенціал. Із рис.2.12 видно, що положення максимумів залежить від роду розсіючого газу.

Чим складніший та важчий газ, тим менші для нього значення .

Рис.2.13. Кутова залежність диференціального перерізу пружного розсіяння електронів різних енергій

На атомах Ar.

Експериментально було встановлено, що , де і _r - газокінетичні радіуси атомів ксенону (0,218 нм), криптону (0,198 нм) і аргону (0,192нм).

Виявилось також, що кутова залежність диференціального перерізу пружного розсіяння не монотонна. На ній з’являються мінімуми та максимуми, положення яких залежить від природи розсіючого атома та енергії електронів, що розсіюються. Приклад такої залежності зображений на рис.2.13.

Таким чином, у дослідах із розсіяння повільних електронів атомами розріджених газів були встановлені такі факти:

зявляються максимуми залежностей повного перерізу пружного розсіяння електронів від їх енергії , положення яких на шкалі енергій залежить від розмірів атомів, що розсіюють електрони;

при малих енергіях електронів що розсіюються, їхній ефективний переріз пружного розсіяння _t різко зменшується й зявляється глибокий мінімум, тобто виявляється аномальна ситуація з позицій класичної фізики, яка вважає електрони корпускулами, а саме «прозорість» атомів для електронів;

1. зявляється немонотонна залежність диференціального перерізу пружного розсіяння електронів від кута розсіяння .

2. Один із методів дослідження ефекту Рамзауера описаний в лабораторній роботі № 2 [2].

2.12. Неможливість пояснення процесів розсіяння електронів на основі класичних уявлень про електрон, як корпускулу

Класична фізика не змогла пояснити результати дослідів із розсіяння повільних електронів атомами розріджених газів.

Була висловлена гіпотеза, що ці властивості притаманні хвилям, а не корпускулам. Уявимо собі, що електрон має хвильові властивості з довжиною хвилі , обернено пропорційній до його енергії . В цьому разі появу максимумів залежностей повного перерізу пружного розсіяння від енергії можна зв’язати з явищем дифракції. Дифракційна картина найбільш яскраво виявляється тоді, коли довжина хвилі стає співрозмірною з розміром об’єкта, що розсіює хвилі. Дійсно, ми бачимо, що саме такі властивості спостерігаються експериментально на рис.2.10. Чим більший розмір атома, тим при більшій довжині електронної хвилі, тобто при меншій енергії спостерігаються максимуми на залежності . Сучасні розрахунки, що проводяться за допомогою квантової механіки, в основі якої покладені хвильові властивості частинок, дають подібні залежності перерізів пружного розсіяння від енергії частинок.

Різке зменшення перерізу пружного розсіяння електронів при малих енергіях електронів і поява глибокого мінімуму при цих енергіях на залежностях показує, що газ стає «прозорим» для електронів. Атоми майже не розсіюють повільних електронів. Явище «прозорості» атомів для дуже повільних електронів можна зв’язати з явищем дифракції, якщо припустити, що електрону притаманні не тільки корпускулярні але й хвильові властивості. Теоретичне пояснення ефекту Рамзауера досить складне. У простому варіанті його можна пояснити так. Поле атомного ядра важкого інертного газу створює потенціальну яму, яку в першому наближенні можна вважати сферичною. При дифракції (розсіянні) падаючої електронної хвилі, на такій ямі виникають вторинні хвилі. Якщо різниця фаз між ними дорівнює , то внаслідок інтерференції ці хвилі гасяться. Виникає «ефект просвітлення», явище відоме з курсу оптики для електромагнітних хвиль. Звичайно різниця фаз буде залежати від енергії електрона, глибини та розміру потенціальної ями. Ця ідеалізована модель якісно пояснює появу глибокого мінімуму на рис 2.11. Саме при таких енергіях електрона розсіяні хвилі в аргоні мають різницю фаз кратну . Квантова механіка дозволяє розрахувати різницю фаз розсіяних хвиль на різних потенціальних ямах, пояснити особливості розсіяння й передбачити відмінності, котрі мають місце для різних атомів, що розсіюють.

Наявність мінімумів і максимумів на залежності диференціального перерізу пружного розсіяння від кута розсіяння є також проявом дифракції електронної хвилі (рис.2.11). Такі кутові залежності використовуються для дослідження будови атомів і молекул.