книги из ГПНТБ / Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике
.pdf120 |
ГЛАВА 9 |
Фиг. 9.1. Схематическое изображение прибора Комптона для измере ний сдвига длины волны рассеянных рентгеновских лучей. Углом рас сеяния является угол между двумя отрезками пучка, соединяющи мися в точке R\ схема соответствует случаю рассеяния на 90°. [Phys. Rev., 22, 410 (1923), Fig. 1; обозначения изменены для наг
лядности.]
то обстоятельство, что кристаллы, в частности кальцит, представляют собой естественную трехмерную периодиче скую структуру; при отражении волны от такой структуры возникают интерференционные эффекты, приводящие к по явлению сильных максимумов интенсивности отраженного излучения под углами, зависящими от длины волны х). На фиг. 9.1 изображена схема прибора, который был сконстру ирован так, чтобы по возможности исключить трудности, связанные с малой интенсивностью рассеянного пучка. В точке Т расположен анод рентгеновской трубки, являющий ся источником рентгеновских лучей; рассеивателем служит кусок графита, находящийся в точке R, на одной прямой со щелями 1 и 2. Трубку можно было устанавливать в раз ных положениях, меняя тем самым угол рассеяния, под
п Этот |
эффект |
по существу идентичен получению спектра види |
мого света |
с помощью дифракционной решетки; отличаются только не |
|
которые детали. |
' |
|
КОР ПУ СК УЛ Я РН ЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА |
121 |
которым излучение попадало в спектрометр. Трубка н рас сеивающий блок были помещены в свинцовый контейнер, чтобы рассеянное излучение не могло попасть на детектор. Рентгеновские лучи регистрировались по ионизации, кото рую они производили в ионизационной камере.
На фиг. 9.2 показаны две серии результатов, получен ные с использованием щелей различной ширины. Комптон утверждает также, что в серии, результаты которой пока заны справа, «установки углов выполнялись с большей тща тельностью, в пределах_экспериментальной погрешности менее 1', или около 0,001 ». В соответствии с предложенной им теорией Комптон так описывает результаты:
Из этих кривых ясно, что, когда однородный пучок рентгеновских лучей рассеивается графитом, он разделяется на две четко отличаю щиеся друг от друга части,— одну с той же длиной волны, что и пер вичный пучок, и другую, с большей длиной волны. Назовем их изменен ным и неизмененным [sic*>] лучами соответственно. На каждой кривой проведена линия Р через пик кривой, отвечающей первичной линии, и линия Т при том значении угла, при котором должна появиться рассеянная линия...
Согласие между теорией и опытом несомненное21. В заключение Комптон говорит:
Это замечательное согласие между нашими формулами и экспери ментами почти не оставляет сомнений в том, что рассеяние рентгенов ских лучей есть квантовое явление. Таким образом, для объяснения этих эффектов уже не нужно привлекать гипотезу о большом электроне, поскольку все эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей, к ко торым применялась эта гипотеза, можно,.как мы теперь видим, объяс нить с точки зрения квантовой теории без введения новых гипотез или констант.Кроме того, данная теория удовлетворительно объясняет изменение длины волны вследствие рассеяния, что оставалось необъясненным гипотезой большого электрона. Следовательно, если говорить о рассеянии рентгеновских и у-лучей, то ничто не подтверждает гипо тезу об электроне, диаметр которого сравним с длиной волны жестких рентгеновских лучей.1
1> Эта описка встречается только в единственной фразе, в которой первоначально вводятся термины. В последующих фразах Комптон использует те же термины в соответствии с их смысловыми значениями.
2> Как показали дальнейшие исследования, несмещенная линия возникает вследствие рассеяния электронами, которые связаны в ато мах настолько прочно, что предположения, сделанные при расчете величины сдвига, становятся неприменимыми.
Фиг. 9.2. Спектры рентгеновских лучей, рассеянных на различные углы графитом. [Phys. Rev., 22, 411 (1923), Fig. 2; обозначения изме нены для наглядности.]
К ОР П УС К У Л Я Р Н Ы Е СВОЙСТВА СВЕТА |
123 |
В данной теории существенную роль играет предположение о том, что каждый электрон, эффективно участвующий в рассеянии, рассеи вает целый квант. В ней используется также гипотеза о том, что кванты излучения приходят в определенных направлениях и в определенных направлениях рассеиваются. Эксперименты, подтверждающие теорию, весьма убедительно показывают, что квант излучения несет не только энергию, но и направленный импульс •>.
Существенно, что с экспериментом Комптона, относящим ся к этому эффекту, был связан своего рода парадокс. Это понимал и сам Комптон. С помощью кристаллического спек трометра измерялась волновая характеристика — длина волны, причем она измерялась с помощью типично волнового явления — интерференции. Однако влияние графитового рассеивателя на величину этой волновой характеристики можно было понять только на основании представления о том, что рентгеновские кванты ведут себя подобно частицам. По Комптону: «Способ, которым проявляет себя интерферен ция... еще не ясен... Во всяком случае, проблема рассеяния настолько тесно связана с проблемами отражения и интерфе ренции, что ее изучение, весьма вероятно, может пролить некоторый свет на трудный вопрос о соотношении между интерференцией и квантовой теорией». Это предположение очень скоро подтвердилось. Менее чем через три года физики стали благосклонно воспринимать идею о том, что свет не является ни волной в строгом смысле этого слова, ни истин ным потоком частиц, а представляет собой объект особого рода, проявляющий иногда волновые, а иногда корпуску лярные свойства.
ЛИТЕРАТУРА
Compton А . Н ., The Physical Review, 21, 483—502 (1923); 22, 409—413 (1923).
Выдержки из этих статей помещены в книге The World of the Atom, Vol. 2, p. 911—929.
Позднее А. Комптон опубликовал личные воспоминания об этих собы тиях
Compton А. # ., American Journal of Physics, 29, 817—820 (1961).1
1> См. примечание на стр. 118.
10
ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
К концу 1924 г. точка зрения, согласно которой электро магнитное излучение ведет себя отчасти подобно волнам, а отчасти подобно частицам, стала общепринятой. И именно
в это время француза Луи де Бройля, |
который в то вре |
|||
мя был аспирантом, |
осенила гениальная мысль: почему то |
|||
же самое |
не |
может |
быть справедливо и для вещества? В |
|
частности, |
он |
высказал предположение, |
что соотношения |
|
между такими корпускулярными характеристиками, как
энергия и импульс, с одной |
стороны, и такими волно |
||||||
выми |
характеристиками, |
как |
длина |
волны |
и |
частота, с |
|
другой |
стороны, должны |
быть |
одинаковы |
для вещества |
|||
и для |
излученияѵ. Причина, |
по |
которой |
волновые |
|||
свойства вещества не замечались ранее, состоит в чрезвы чайной малости длин волн, связанных с макроскопическими количествами материи. Например, пылинка весом в 10- “ г движущаяся со скоростью 0,1 мм/с2), должна иметь длину во лны всего лишь около 6-10_11Â. Необходимо перейти к объектам атомного масштаба, чтобы достичь длин волн того же порядка, что и размеры самого объекта, и тем самым получить какую-то надежду наблюдать волновые свойства частиц. Само собой разумеется, ученые, рассматривавшие диссертацию де Бройля, не восприняли бы такую дикую идею, поэтому он связал ее с некоторыми исследованиями в
Эти соотношения приводили к скорости волны, превышающей скорость света, и не устанавливали четкой связи со скоростью частицы вещества. Для разрешения этой трудности вводится предположение, согласно которому частица вещества соответствует не единственной волне, а группе волн. Отдельные волны движутся со скоростью, превы шающей скорость света, но группа, а вместе с ней энергия и импульс перемещаются со скоростью частицы вещества.
2> Грубо говоря, эта скорость равна скорости конца минутной стрелки часов диаметром 100— 125 мм.
ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА |
125 |
области кинетической теории. Однако для этой идеи настало время, и она быстро стала общепризнанной.
Между тем в лабораториях фирмы «Белл телефон», на ходившихся в то время в Нью-Йорке, К- Дж. Дэвиссон и его сотрудники занимались вполне обыденной работой. О том, что произошло, лучше всего рассказано во вводных параграфах статьи Дэвиссона и Л. Г. Джермера, опубли кованной 11 в 1927 г.:
Исследование, о котором сообщается в этой статье, началось в ре зультате происшествия, случившегося в нашей лаборатории в апреле 1925 г. В это время мы продолжали заниматься изучением углового распределения электронов, рассеянных мишенью из обычного (поликристаллического) никеля, первое сообщение о чем было опубликовано в 1921 г При выполнении этой работы в тот момент, когда мишень имела высокую температуру, взорвался сосуд с жидким воздухом; экспери ментальная трубка оказалась разбитой и ворвавшийся воздух сильно окислил мишень. Окись в конечном счете была восстановлена, и слой мишени удален путем испарения, но только после продолжительного прогрева при различных высоких температурах в водороде и в вакууме.
Когда опыты были продолжены, оказалось, что распределение рас сеянных электронов по углам совершенно изменилось. Образцы кривых, иллюстрирующие это изменение, показаны на фиг. 1 [воспроизведенной как фиг. 10.1]. Все кривые относятся к потенциалу бомбардировки, рав ному 75 В. Электронный пучок падает на мишень справа, а интенсив ности рассеяния в различных направлениях пропорциональны длинам векторов, проведенных из бомбардируемой точки мишени к кривым. Верхние кривые (соответствующие разным углам падения пучка) харак теризуют мишень до упомянутого происшествия. Они относятся к тому же типу, что и кривые, описанные в заметке в Science в 1921 г., и ана логичны кривым, полученным для никеля в четырех или пяти других экспериментах. Нижние кривые, полученные после случившегося, представляют собой первые наблюдавшиеся кривые нового типа. Такое заметное изменение картины рассеяния было приписано рекри сталлизации мишени, происшедшей за время ее продолжительного про грева. До случившегося и в прежних экспериментах мы бомбардировали множество мелких кристаллов, но в опытах, последовавших за происше ствием, бомбардировалось лишь несколько (фактически Около десяти)
больших кристаллов.
На основании этих результатов казалось вероятным, что интенсив ность рассеяния на монокристалле должна заметно зависеть от ориен тации кристалла, и мы сразу же стали готовить опыты для изучения этой зависимости. Следует признать, что результаты, полученные вэтих опытах, совершенно противоречили нашим ожиданиям. Нам казалось вероятным, что обнаружатся интенсивные пучки, выходящие из кри сталла в направлениях, которые можно было бы назвать направлениями
1) Предварительное сообщение было опубликовано в том же году несколько раньше в британском журнале Nature.
126 |
ГЛАВА 10 |
Рассеяние электронов с энергией 75 эВ никелевым блоком (много м елких кристаллов)
Рассеяние электронов с энергией 75 эВ несколькими большими кристаллами никеля
Фиг. 10.1. Кривые рассеяния на никеле до и после попадания воздуха в установку и последующей обработки мишени. [Phys. Rev., 30,
706 (1927), Fig. 1.] .
прозрачности кристалла; это направления, в которых атомы решетки расположены вдоль минимального числа линий на единицу площади. Было обнаружено, что из кристалла действительно выходят интенсив ные пучки, но только в тех случаях, когда скорость бомбардирующих частиц лежит вблизи одного из нескольких критических значений, и, кроме foro, направления этих пучков никак не связаны с прозрачностью кристалла.
Самое поразительное свойство этих пучков заключалось в сущест вовании описанного ниже взаимно однозначного соответствия между наиболее сильными из них и пучками Лауэ, которые выходили бы из того же самого кристалла, если бы на него падал пучок рентгеновских лучей. Некоторые другие казались аналогичными не пучкам Лауэ, а пучкам, возникающим при оптической дифракции на плоских отражательных решетках; штрихами этих решеток являются линии или ряды атомов на поверхности кристалла. Благодаря этому сходству между рассея нием электронов кристаллом и рассеянием волн трех- и двухмерной решетками описание возникновения и поведения электронных дифрак ционных пучков с помощью представления о рассеянии эквивалентных волн излучения атомами кристалла и их последующей интерференции оказывается не только возможным, но и наиболее простым и естествен ным. Это приводит к мысли, что с падающим пучком электронов можно связать определенную длину волны, причем эта длина волны оказы вается в приемлемом согласии с известной в волновой механике вели чиной h/mu — постоянной действия Планка, деленной на импульс электрона.
ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА |
127 |
Необходимо отметить в этом отрывке два момента, ука зывающие на то, что он принадлежит перу выдающихся уче ных. Во-первых, когда Дэвиссон и Джермер обнаружили существенно новое явление, которое они не предвидели, они быстро оценили его важность. Во-вторых, они оказались готовыми принять результаты, не согласующиеся с ожидав шимися, и искать их связь с другими явлениями.
Экспериментальная процедура была, как обычно, про стой в своей основе. Электроны от электронной пушки уда рялись о никелевую мишень, тщательно приготовленную так, чтобы бомбардируемая область была частью монокри сталла. Облучаемая поверхность представляла собой густо заполненную атомами плоскость, на которую в перпендику лярном направлении падал пучок. Рассеянные й требуемом диапазоне углов электроны собирались, и измерялся резуль тирующий ток при различных условиях опыта.
Основные части прибора показаны на фиг. 10.2. Элект ронная пушка G ускоряла и фокусировала электроны, ис пускаемые нитью накала F, формируя узкий пучок, падаю щий на мишень Т.
Коллектор С представлял собой коробку с двойными стенками; между внешней и внутренней коробками под держивалась регулируемая задерживающая разность
Фиг. 10.2. Вид прибора Дэвиссона и Джермера в разрезе. Стеклянный баллон, в который он помещался, не показан [Phys. Rev., 30, 708 (1927), Fig. 2.]
128 |
ГЛАВА 10 |
потенциалов, так что практически только электроны, не испы тавшие потерь энергии, могли достичь внутренней коробки
идать вклад в измеряемый ток. Внешняя коробка, мишень и последний электрод (наружная конструкция и последние три диафрагмы) электронной пушки поддерживались при одинаковом потенциале, так что путь от пушки до мишени
идалее до коллектора электроны проходили по существу в нулевом электрическом поле.
Интервал направлений движения электронов, которые
могли быть захвачены коллектором, определялся малыми от верстиями в коробках коллектора. Последний был подвешен на оси, перпендикулярной плоскости чертежа и проходя щей через ту точку мишени, куда падал пучок; весь прибор в целом также мог поворачиваться вокруг этой оси, благо даря чему угол между первоначальным направлением элект ронов и (средним) направлением захватываемого пучка мог меняться от 90 до 20Оі).
По причинам, которые станут ясными ниже, было жела тельно также менять относительную ориентацию мишени и плоскости рассеяния. Это осуществлялось с помощью остро умного устройства. Мишень была смонтирована на шпин деле, к которому прикреплялось зубчатое колесо. Вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа, вращался тя желый маятник, соединенный с плунжером (Р на фиг. 10.2). Когда прибор поворачивался так, что коллектор оказывался против мишени, плунжер входил между двумя зубцами колеса и сцеплялся с фрезерованной металлической полосой, прикрепленной к раме, так что колесо и мишень оказыва лись в фиксированном относительно рамы положении. Когда трубка, поворачиваясь по часовой стрелке, достигала такого положения, что главная ось оказывалась за горизонтальной плоскостью, плунжер расцеплялся с фрезерованной поло сой. Подвеска маятника также могла свободно вращаться относительно оси шпинделя, поэтому при вращении трубки вокруг главной оси маятник, плунжер, колесо и мишень поворачивались относительно рамы и коллектора. Это обес печивало поворот в интервале углов примерно от 20 до 30°.1
11 В действительности рассеяние происходило назад; в настоящее время обычно указывают углы, дополнительные к этим. Мы следуем терминологии оригинальной статьи.
ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА |
129 |
Фиг. 10.3. Расположение атомов в элементарной ячейке кристалла никеля.
При дальнейшем наклоне трубки плунжер выходил из про межутка между зубцами колеса и при повороте трубки мог войти в другой просвет. Таким образом мишень могла со вершить полный оборот. Ее положение определялось по шкале на колесе.
Все устройство длиной около 125 мм и высотой 50 мы помещалось в стеклянный баллон и тщательно откачивалось, причем для освобождения от адсорбированных и захвачен ных газов проводился неоднократный отжиг. Окончательное давление составляло по оценке 10~а мм рт. ст.
Чтобы понять результаты, «важно,— как утверждают Дэвиссон и Джермер,— иметь ясную картину располо жения атомов в кристалле, на который падает пучок. Кри сталл никеля имеет гранецентрированную кубическую струк туру». Это означает, что расположение атомов представляет собой многократное повторение во всех направлениях кар тины, представленной на фиг. 10.3: атомы расположены в вершинах и центрах граней^ куба, размер ребра которого для никеля составляет 3,51 Â. Дэвиссон и Джермер разре зали, полировали и химически травили мишень таким об разом, что бомбардируемой поверхностью служила так называемая плоскость {111} (объяснение этого символа см. в приложении Б). Положение такой плоскости по отноше-5
5 Д ж . Тригг