Електрон як хвиля: відкриття, що змінило фізику
- Ігор Сальниченко
- 26 лют.
- Читати 5 хв
Оновлено: 1 бер.
У 1927 році світ науки отримав переконливий доказ, що частинки речовини можуть поводитися як хвилі. Цей революційний результат належить американським дослідникам Клінтону Девіссону (1881–1958) та Лестеру Гермеру (1896–1971). Їхні експерименти показали, що потік електронів, спрямований на нікелевий кристал, дає дифракційну картину, аналогічну до розсіяння рентгенівських променів [1]. Завдяки цьому стало зрозуміло, що електрони не просто “кульки”, а здатні поводитися подібно до хвильового процесу.
Теоретичне підґрунтя: ідея де Бройля
Ідея хвильової природи речовини постала з намагань зрозуміти, як узгодити квантові властивості світла із властивостями матерії. У 1924 році французький фізик Луї де Бройль (1892–1987) висунув гіпотезу, що електрони можуть поводитися подібно до світла, яке об’єднує в собі хвильові та корпускулярні риси. Згідно з цією гіпотезою, довжина хвилі електрона обернено пропорційна до його імпульсу, що дало змогу записати кількісний зв’язок, відомий нині як λ = h/p, де h — стала Планка, а p — імпульс частинки. Ця ідея докорінно змінила погляди на природу матерії, адже доти існувало усталене уявлення, що електрони — це передусім маленькі “кульки”, позбавлені будь-якої хвильової поведінки.
Важливим кроком до експериментального підтвердження став внесок Вальтера Ельзассера, студента з Університету Геттінгена, який запропонував перевірити гіпотезу де Бройля через спостереження дифракції. Він виходив із аналогії між поведінкою електронів і світла: якщо квант світла (фотон) може дифрагува́ти, тоді й електрон, згідно з хвильовою теорією, мав виявляти подібний феномен. На думку Ельзассера, експерименти зі штучно створеною кристалічною “ґраткою” чи тонкою плівкою мали продемонструвати зміну інтенсивності електронного пучка, подібно до того, як це відбувається зі світловими променями у рентгенівській дифракції. Цей проєкт, хоч і залишався теоретичним припущенням, став поштовхом для подальших досліджень, котрі, зрештою, здійснили Девіссон і Гермер, а згодом Джордж Педжет Томсон [2].
Лабораторне відкриття: від випадковості до визнання
Девіссон і Гермер, які тоді працювали в Bell Telephone Laboratories у Нью-Йорку, проводили дослідження розсіяння повільних електронів на нікелевій мішені. Головною метою було вивчення структури атома, а не пошуки хвильових ефектів. Та випадок круто змінив план роботи й зрештою привів до одного з найважливіших відкриттів у фізиці.
1. Випадкове ушкодження апаратури
У 1925 році, в процесі вимірювання розсіяння електронів, обладнання дослідників зламалося. Зокрема, через нештатний перегрів нікелева плівка, яка спочатку складалася з дрібних кристалів, піддалася рекристалізації:
• Надмірне нагрівання змусило малі кристали зливатися в більші зерна.
• Кожен із цих нових великих кристалів мав упорядковану атомну решітку, яка стала природною “ґраткою” для майбутніх експериментів.
За свідченнями самого Девіссона, ні він, ні Гермер на той момент не здогадувалися, що зміна структури нікелю дасть їм у руки ідеальний зразок для дослідження дифракції електронів. Пошкодження апаратури могло виглядати як катастрофа, але це відкрила їм шлях до результатів, що увійшли до класичних робіт із квантової механіки.
2. Поява нових піків
Після ремонту апаратури та підготовки оновленої мішені дослідники знову почали сканувати розсіяння електронів. Цього разу вони побачили те, чого не було раніше:
• Діаграма розсіяння електронів показала яскраві піки інтенсивності.
• Ці піки з’являлися під різними кутами, відрізняючись від плавного розподілу, що спостерігався у попередніх дослідах із дрібнозернистим нікелем.
За словами Девіссона, спершу вони не могли зрозуміти, чому виникають ці нові “аномалії”. Не було жодної очевидної причини, чому електрони мали поводитись так, ніби в них є хвильові властивості. Утім, згідно з історичними даними, саме реєстрація дивних піків у розподілі розсіяних електронів підштовхнула дослідників вивчити проблему глибше [1].
3. Зустріч з теорією
Улітку 1926 року, під час поїздки до Англії, Девіссон зустрівся з відомими на той час фізиками, які обговорювали гіпотезу Луї де Бройля про хвильову природу речовини. Ця ідея, висунена у 1924 році, стверджувала, що:
• Матеріальні частинки (зокрема електрони) можуть мати довжину хвилі, пов’язану з їхнім імпульсом.
• Хвильовий опис дозволяє пояснити інтерференційні та дифракційні явища для мікрочастинок.
Почувши про це, Девіссон зіставив власні експериментальні дані з теоретичними положеннями де Бройля. Виявилося, що “піки” у його розподілах — це результат дифракції електронів на кристалі нікелю [2]. Відтак він повернувся до лабораторії та разом із Гермером провів серію додаткових тестів. Ці тести наочно підтвердили, що:
• Електрони справді можуть дифраґувати, наче світлові хвилі у дифракційній ґратці.
• Атомна решітка рекристалізованого нікелю відіграє роль дифракційної структури, подібно до рентгенівських експериментів.
Саме визнання важливості експерименту прийшло трохи згодом. Коли наукова спільнота оцінила вагу їхнього відкриття, Девіссон і Гермер (а паралельно з ними й Джордж Педжет Томсон) здобули світове визнання та поклали початок новому підходу в дослідженні мікросвіту.
Підтвердження хвильової природи електронів
Після усвідомлення зв’язку з гіпотезою де Бройля, Девіссон і Гермер почали ретельно перевіряти ідею про те, що електрони можуть поводитися як хвилі. Вони налаштували прилад таким чином, щоб електронний пучок відбивався від атомних площин нікелевого кристалу, подібно до того, як рентгенівські промені створюють дифракційну картину. Ключовою ознакою мало стати виникнення інтерференційних максимумів і мінімумів: “яскраві смуги” у місцях, де хвилі підсилюють одна одну, і “темні смуги” там, де хвилі з різних атомних площин гасилися.
У першому із серії цих експериментів дослідники отримали результат, що майже ідеально збігався з розрахунками, виконаними за формулами де Бройля [3]. Усвідомивши точність цієї відповідності, Девіссон і Гермер заглибилися далі й невдовзі знайшли майже три десятки характерних піків, які можна було інтерпретувати як наслідок дифракції. Проте не всі результати лягали у досконалу теоретичну картину: частина піків залишалася незрозумілою, а деякі з передбачуваних максимумів так і не з’явилися. Та попри невеликі відхилення, загальна картина підтверджувала хвильову модель електронів, започатковану гіпотезою де Бройля [1].
Публікації та Нобелівське визнання
У 1927 році Девіссон і Гермер видали дві статті: коротку замітку в журналі Nature [2] і розгорнуту публікацію в Physical Review [1]. Майже одночасно аналогічні докази електронної дифракції подав Джордж Педжет Томсон (1892–1975) з Університету Абердина [3]. У результаті, саме Девіссон і Томсон розділили Нобелівську премію з фізики 1937 року за підтвердження хвильової природи електронів. Це відкриття не лише збагатило квантову механіку, а й заклало основу для сучасних досліджень у галузі електронної мікроскопії й багатьох інших високотехнологічних сфер.
Вплив та значення
Історія з Девіссоном і Гермером є чудовою ілюстрацією того, як збіг обставин може відкрити шлях до величних наукових проривів. Вони не мали на меті підтверджувати чи заперечувати ідею де Бройля, проте сміливість і відкритість до нової інформації допомогли переосмислити власні результати та зробити ключовий внесок у квантову фізику. Сьогодні хвильова природа електронів є фундаментальною частиною наших уявлень про мікросвіт, і це відкриття змінило уявлення про те, як побудована матерія і як вона взаємодіє зі світлом.
Джерела:
1. C. Davisson and L. H. Germer, “Diffraction of electrons by a crystal of nickel,” Phys. Rev. 30, 705 (1927).https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.30.705
2. C. Davisson and L. H. Germer, “The scattering of electrons by a single crystal of nickel,” Nature 119, 558 (1927).https://www.nature.com/articles/119558a0
3. G. P. Thomson and A. Reid, “Diffraction of cathode rays by a thin film,” Nature 119, 890 (1927).https://www.nature.com/articles/119890a0
Comments