2. 6. 1. Опыт Дэвиссона и Джермера.

 Дэвиссон и Джермер исследовали дифракцию электронов на монокристалле никеля, кристаллическая структура которого была известна из опытов по дифракции рентгеновских лучей. Схема их эксперимента представлена на рис. 2.2. Электроны от электронной пушки , прошедшие ускоряющую разность потенциалов, падали нормально на сошлифованную поверхность кристалла никеля. С помощью детектораисследовалось число электронов, отраженных от кристалла под угломпри различных значениях. Напомним, что разным значениям, согласно(2.8), соответствуют разные дебройлевские длины волн электронов.

Рис. 2.2.

     Кристаллическая решетка в опыте Дэвиссона и Джермера играла роль объемной отражательной дифракционной решетки, и с точки зрения гипотезы де Бройля увеличение амплитуды отраженной волны при выполнении условия Брэгга-Вульфа (2.10) означало существенный рост вероятности отражения электронов, что и приводило к наблюдаемому увеличению числа отраженных от кристалла электронов.

     Результаты экспериментальных исследований Дэвиссона и Джермера представлены на рис.2.3, где приведены полярные диаграммы интенсивности отраженных электронов при нескольких значениях ускоряющей разности потенциалов . При= 44 В (рис.2.3 а) дифракционный максимум под углом= 50⁰ только начинает формироваться, при = 54 В (рис.2.3 в) он достигает максимальной интенсивности, а при дальнейшем возрастании(рис.2.3 г, д) опять ослабляется вплоть до полного исчезновения.

рис2.3

     Различие теории и эксперимента в этом опыте заключалось в том, что положения дифракционных максимумов, наблюдаемых на эксперименте, не совпадали с положениями максимумов, определяемых из условия Брэгга-Вульфа (2.10) и показанных на рис.2.3 вертикальными стрелками. Особенно заметным это различие было для небольших значений , т.е. для небольшой величины ускоряющей разности потенциалов. Причина такого расхождения теории и эксперимента состоит в том, что условие Брэгга-Вульфа(2.10) не учитывает преломление электронных волн в металле. Использование условия (2.11) полностью устраняет это расхождение.

2. 6. 2. Опыт Дж. П. Томсона.

В экспериментах Томсона исследовалась дифракция электронов на поликристаллическом образце. Коллимированный пучок моноэнергетических электронов падал нормально на тонкую металлическую поликристаллическую фольгу (рис.2.4).

,

Рис. 2.4. Дифракция электронов на поликристаллической фольге

На фотопластине, расположенной за фольгой, прошедшие электроны образовывали дифракционную картину в виде тонких концентрических колец. Поясним, почему при дифракции на поликристаллическом образце на фотопластине получаются дифракционные кольца.

     Как известно, поликристалл состоит из большого числа очень маленьких монокристаллических зерен - кристаллитов, которые хаотически ориентированы по отношению друг к другу. На рис. 2.5 а параллельными линиями показана ориентация некоторой выделенной системы атомных плоскостей в кристаллитах. Эта ориентация произвольным образом меняется при переходе от одного кристаллита к другому.

     При падении пучка электронов на поликристалл в нем всегда найдутся кристаллиты, ориентированные так, что какая-либо система атомных плоскостей будет находиться в отражающем положении, т.е. для нее будет выполняться условие Брэгга-Вульфа (2.10)

     

     Рассмотрим случай, когда постоянная решетки и порядок отраженияфиксированы, т.е. когда значение брэгговского углаоднозначно определено. Пусть пучок электронов падает под угломна систему атомных плоскостей кристаллита, представленную на рис. 2.5.б параллельными линиями. Легко видеть, что дифрагировавший пучок электронов будет отклонен на уголпо отношению к проходящему пучку. Таким образом, дифракция на отдельном кристаллите будет давать точку на фотопластинке.

Рис. 2.5a. Дифракция в поликристалле - структура поликристаллического образца

Рис. 2.5б. Дифракция в поликристалле - дифракционное отражение от отдельного кристаллита

     Ввиду осевой симметрии задачи вклад в дифракционное отражение будут также давать кристаллиты, у которых рассматриваемые отражающие плоскости повернуты относительно оси, задаваемой направлением падения электронов, при условии, что падение осуществляется под тем же углом . Следовательно, в случае поликристалла дифракционное отражение от одного семейства плоскостей при фиксированном значениибудет происходить в конус с углом раствора. Сечение этого конуса плоскостью фотопластинки дает окружность. Вклад в отражение от разных плоскостей кристалла (разные значения), а также учет различных порядков отраженияприводит к появлению на фотопластинке системы концентрических окружностей.

     В опыте Томсона использовались быстрые электроны с энергией 17,5 - 56,5 кэВ, поскольку медленные электроны интенсивно поглощаются фольгой, что приводит к значительному ослаблению проходящего пучка. Результаты эксперимента по дифракции электронов на поликристаллической фольге представлены на рис.2.6..

Рис. 2.6 Результаты дифракционных опытов с электронами на поликристалле серебра

     При анализе дифракции электронов на поликристалле возник следующий вопрос: можно было допустить, что дифракцию испытывают не электроны, а вторичное рентгеновское излучение, испускаемое атомами кристалла под действием электронного пучка. Для того чтобы однозначно установить природу дифрагировавших частиц (электроны или рентгеновские кванты), в области между фольгой и фотопластинкой было создано магнитное поле. Если дифракцию испытывают электроны, то они будут отклоняться магнитным полем, что приведет к искажению дифракционной картины. Если же дифрагирует рентгеновское излучение, то система колец должна остаться без изменений. Эксперимент с магнитным полем показал, что дифракционное отражение испытывают именно электроны.