Соотношение де Бройля

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

ПРИНЦИП

ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ

1927 • ОПЫт дзвиссОНА—

джермера

Согласно принципу дополнительности частицы в рамках квантовой механики могут проявлять волновые свойства, а волны — корпускулярные. Электрон, например, традиционно представляли себе в виде отрицательно заряженного миниатюрного шарика, однако в 1924 году Луи де Бройль (см. соотношение де бройля) показал, что любую частицу, обладающую импульсом р можно представить в виде волны, длина которой (X) равна:

X = h/p,

где h постоянная планка.

Естественно, ученые сразу же стали проверять эту гипотезу, и самым естественным методом проверки оказались попытки обнаружить волновую дифракцию электронов. Однако успехом эти попытки увенчались лишь в 1927 году благодаря классическим опытам, поставленным американцами Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером и независимо от них англичанином Джорджем Томсоном.

Американские экспериментаторы в качестве источника свободных электронов использовали раскаленную нить, помещенную в вакуумную камеру. Полученный направленный пучок быстрых электронов они рассеивали на кристалле. В итоге им удалось обнаружить интерференционные пики интенсивности рассеянных электронов, первый из которых приходился на угол рассеяния около 65°.

То есть фактически они воспроизвели эксперимент по рассеянию рентгеновских лучей (приведший к открытию их дифракции на кристаллах и выводу закона брэгга), используя вместо рентгеновского луча сфокусированный поток электронов. По сути, каждый атом кристалла, согласно принципу гюйгенса, является источником вторичных волн и они взаимно усиливаются в результате интерференции между ними при рассеянии под определенными углами, когда фазы интерферирующих вторичных волн совпадают. И Дэвиссону с Джермером удалось найти такой угол максимума числа рассеянных электронов. Рассчитав по этому углу и импульсу электронов длину волны, ученые выяснили, что она в точности совпадает с длиной волны, предсказываемой соотношением де бройля. Так была доказана гипотеза о наличии у элементарных частиц волновых свойств.

Поработав на протяжении своей долгой жизни в целом ряде университетов и промышленных лабораторий, Клинтон Дэвиссон завершил свою карьеру в Университете штата Вирджиния. Когда я там работал преподавателем, мне выделили его бывший кабинет. На видном месте на стене была вывешена пожелтевшая таблица периодической системы Менделеева 1954 года издания, когда-то принадлежавшая этому выдающемуся ученому. Когда я переходил на мое нынешнее место работы, я также не стал снимать ее со стены, посчитав ее культурно-историческим достоянием. Хочется надеяться, что она все еще там!

КЛИНТОН ДЖОЗЕФ дэвиссон

(Clinton Joseph Davisson, 18811958) — американский физик. Родился в г. Блумингтон, штат Иллинойс. Окончил Чикагский университет, докторскую степень получил в 1911 году в Принстоне. Работал в Кавендишской лаборатории в Англии ассистентом Дж. Дж. Томсона (первооткрывателя электрона), в 1917 году перешел в лабораторию компании Western Electric (ныне Lucent Technologies) в Нью-Йорке, где первое время исследовал излучение электронов металлами, и проработал там до 1946 года. Совместно с Лестером Халбертом Джермером (Lester Halbert Germer, 1896-1971) сделал открытие волновых свойств электрона при рассеянии пучка электронов на монокристалле. За свою работу разделил Нобелевскую премию по физике за 1937 год с Джорджем Томсоном (George Thomson, 1892-1975), сыном Дж. Дж. Томсона, который независимо от американских ученых в том же 1927 году экспериментально открыл дифракцию электронов в Англии.