2. 7. Дифракция одиночных электронов.

Рассмотренные выше эксперименты проводились с достаточно интенсивными пучками частиц, в данном случае электронов. Поэтому выявленные в них волновые свойства могли быть приписаны как ансамблю взаимодействующих между собою электронов, так и отдельному электрону. Для того, чтобы выяснить, обладает ли индивидуальная частица волновыми свойствами, группа отечественных физиков во главе с В.А. Фабрикантом выполнила в 1949 г дифракционные исследования с очень слабым пучком электронов. В этих опытах промежуток времени между двумя последовательными прохождениями электронов через кристалл в 30000 раз превышал время, затрачиваемое одним электроном на прохождение всего прибора. Таким образом, электроны дифрагировали в кристалле поодиночке и полностью исключалось взаимодействие электронов друг с другом как причина возникновения дифракционной картины. Качественный вид распределения дифрагировавших электронов по фотопластинке приведен на рис. 2.7 . При небольшой длительности эксперимента точки на фотопластинке, отвечающие попаданию электронов, распределены совершенно случайным образом (рис.2.7а). Однако при достаточной длительности эксперимента распределение точек приобретает характерный для дифракции на поликристалле вид концентрических колец (рис.2.7б). Таким образом было доказано, что волновые свойства присущи отдельному электрону.

Рис. 2.7а. Распределение дифрагировавших электронов по фотопластинке - при небольшой длительности эксперимента

Рис. 2.7б. Распределение дифрагировавших электронов по фотопластинке – в случае длительного эксперимента

2. 7. 1. Опыты по дифракции без кристаллов. 

Первые опыты, подтвердившие гипотезу де Бройля, были выполнены на кристаллах, которые являются наиболее удобной дифракционной решеткой, созданной природой для наблюдения дифракции электронных волн. В дальнейшем с электронами был осуществлен ряд дифракционных опытов, аналогичных тем классическим опытам, которые хорошо известны в оптике. Наблюдалась дифракция электронов на крае полубесконечной плоскости, на двух щелях и т.д. Были выполнены опыты по дифракции электронов в неоднородном электрическом поле, которое играло роль аналога бипризмы Френеля. Все эти эксперименты подтвердили наличие у электронов волновых свойств.

2. 7. 2. Опыты с нейтронами и пучками частиц. 

До сих пор, обсуждая волновую природу микрочастиц, мы основное внимание уделяли электрону. Это вполне естественно, поскольку первые эксперименты, подтвердившие наличие у частиц волновых свойств, были выполнены именно с электронами. Но согласно гипотезе де Бройля волновыми свойствами должны обладать и другие микрочастицы - атомы, ионы, молекулы, а также открытые позже электрона такие элементарные частицы, как, например, протоны, нейтроны и т.д. Все эти частицы по отношению к электрону являются тяжелыми частицами, так как их масса значительно, в несколько тысяч раз, превосходит массу электрона. Поскольку длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе частицы, то при одинаковых скоростях длина волны де Бройля тяжелых частиц оказывается существенно меньше дебройлевской длины волны электрона. Для того, чтобы наблюдать дифракцию тяжелых частиц на кристаллах, необходимо, чтобы их дебройлевская длина волны была сравнима с межплоскостным расстоянием в кристалле (~10^-10м), а это оказывается возможным только в случае медленных частиц.

     Дальнейшее усовершенствование техники эксперимента позволило наблюдать дифракцию на кристаллах тяжелых частиц, например, атомов гелия и молекул водорода. Особенность этих опытов заключалась в том, что дифрагировавшие атомы и молекулы из-за малой скорости не могли проникнуть вглубь кристалла и испытывали дифракцию на двумерной решетке, образованной атомами кристалла на его поверхности.

     Большое значение имело проведение дифракционных опытов с нейтронами. У нейтронов нет электрического заряда и поэтому даже при малых скоростях они могут свободно проникать в кристалл и дифрагировать на трехмерной, пространственной кристаллической решетке. Источниками нейтронов являются ядерные реакции, поэтому интенсивный пучок нейтронов, необходимый для проведения дифракционных исследований, может быть получен от ядерных реакторов или на ускорителях заряженных частиц.

     Анализ показывает, что испытывать дифракцию в кристалле могут только так называемые тепловые нейтроны, т.е. нейтроны, энергия которых сравнима с энергией молекул газа при комнатной температуреК. У тепловых нейтронов дебройлевская длина волны

     

(2.12)

     где - масса нейтрона, имеет порядокм , что делает возможным наблюдение дифракции нейтронов на кристаллической решетке.

     Первые исследования, в которых наблюдалась дифракция нейтронов на кристаллах, были выполнены в 1936 г Х. Хальбаном, П. Прайсверком и Д. Митчеллом. В этих экспериментах использовались радиево-бериллиевые источники нейтронов, однако ниже мы приведем традиционную, сложившуюся за последние десятилетия, схему эксперимента по дифракции нейтронов, в которой источником нейтронов является ядерный реактор (рис.2.6).

Рис. 2.6. Схема экспериментальной установки для наблюдения дифракции нейтронов

     Нейтроны от ядерного реактора проходят через замедлительи теряют в нем часть своей энергии. Далее через коллимирующую систему, формирующую узконаправленный пучок, они попадают на кристалл, в котором и происходит дифракция. Дифрагировавший пучок нейтронов регистрируется детектором нейтронов. Характерный вид наблюдаемой на эксперименте зависимости интенсивности дифрагировавших нейтронов от величины брэгговского углаи дебройлевской длины волныприведен на рис.2.7.

Рис. 2.7. Дифракционный максимум интенсивности нейтронов, отраженных от монокристалла CsHSeO4

     В качестве замедлителя используются большие поликристаллические образцы графита, бериллия, висмута и других веществ, ядра которых слабо поглощают нейтроны. В замедлителе нейтроны испытывают многократное дифракционное отражение и отдают избыток своей энергии ядрам кристалла.

Рис. 2.8. Схема фильтрации нейтронного пучка поликристаллическим фильтром

В лаборатории кафедры физики поставлена лабораторная работа К65«Дифракция электронов », которая позволяет экспериментально проверить формулу Де-Броиля.