Техника - молодёжи 1982-07, страница 22

ШЙМ

ишь

Доклад № 79

ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ ИЛИ

ВОЛНЫ КАРМАНА?

ЛЕОНИД шипицин, кандидат технических наук Московская область

Для волновых процессов, например волн на поверхности воды, существуют два отличительных явления: интерференция, заключающаяся в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний, и дифракция, или огибание волной препятствий. Интерференция и дифракция света давно и хорошо известны; в частности, именно явлением интерференции объясняется игра цветов на поверхности мыльного пузыря, радужная окраска нефтяных пленок на поверхности воды. Около полувека назад выяснилось, что волновые свойства присущи также движущимся микрочастицам. В 1924 году знаменитый французский физик Луи де Бройль предсказал, что с движущейся микрочастицей связан некий волновой процесс, длина волны которого определяется следующим выражением: % = h/mV, где К — длина волны, h — постоянная Планка, m — масса микрочастицы, V — ее скорость.

Вскоре это открытие блестяще подтвердилось в экспериментах по дифракции электронов, нейтронов, атомов и молекул водорода, атомов гелия.

Так, в экспериментах, проведенных германскими исследователями О. Штерном, Ф. Кнауэром, И. Эс-терманом (1926—1930 годы), наблюдалась дифракция пучков атомов гелия, молекул водорода на поверхности кристалла фтористого лития. Типичная дифракционная картина включала в" себя зеркально отраженный и два слабых боковых дифракционных пучка, как показано на рисунках 1 и 2. Однако уже

для следующего за гелием инертного газа неона согласно советскому физику П. Тартаковскому («Экспериментальные обоснования волновой теории материи», 1932 год) дифракция не обнаружена.

Во всех последующих монографиях, например в обзоре Н. Рамзея («Молекулярные пучки», 1960 год), упоминается только дифракция атомов и молекул водорода, атомов гелия. Наконец, в современном обзоре Ф. Гудмана и Г. Вахмана («Динамика рассеяния газа поверхностью», 1980 год) тоже отмечается, что до сих пор дифракция наблюдалась только для атомов и молекул легких газов массой ш<4ш_н » где т» — масса водорода.

Правда, в работе американца В. Вильямса от 1971 года приводятся сведения о дифракционном рассеянии атомов неона на фтористом литии довольно высокого порядка. Однако других аналогичных результатов в обзоре Ф. Гудмана не приводится, а в работе В. Вильямса не утверждается, что максимумы рассеяния обусловлены упругим процессом типа дифракции.

Что происходит при рассеянии газов с m > 4m _н ? Оказалось, что существует несколько иных типов рассеяния: диффузное, лепестковое и радужное.

Диффузное рассеяние, связанное с адсорбцией атомов или молекул поверхностью кристалла, является неупругим и здесь не рассматривается.

I дифрАкционное ; отрджение

зеркдльное отРАжение

-ДИФРАКЦИОННОЕ отРАшение

Дифракция атомов гелия на поверхности кристалла фтористого лнтия (схема опыта и на графике — его результаты).

'20 -io 0 10 20

^ГОЛ ДИФРАКЦИИ

Лепестковое наблюдалось впервые германским исследователем X. Ца-лем в 1931 году для паров металлов, затем для инертных газов — неона, аргона и других. Типичная картина лепесткового рассеяния пучка атомов аргона на платине приведена на рисунке 3. Как видно из сравнения рисунков 2 и 3, такое рассеяние существенно отличается как от зеркального, так и от дифракционного, которое наблюдалось для атомов гелия в той же установке. Оно всегда связано с неупругими процессами. В обзоре Ф. Гудмана отмечается, что теоретическое рассмотрение механизма лепесткового рассеяния с использованием квантовых законов оказалось безуспешным.

Радужное рассеяние, как установил американец О. Киф в 1971 году, отличается двумя максимумами интенсивности, положение которых не совпадает с положением зеркального или дифракционных максимумов. Его типичная картина приведена на рисунке 4. Согласно тому же обзору Ф. Гудмана возникновение такого рассеяния связано в классическом рассмотрении с тем, что поверхностный потенциал кристалла носит периодический характер. Квантовая интерпретация радужного рассеяния сводится к предположению, что егб два наблюдаемых максимума интенсивности являются огибающей множества дифракционных максимумов, которые незаметны из-за слабого их разрешения в опытах. Однако эта догадка фактически не доказана прямыми экспериментами, к тому же существуют и другие объяснения «радужных» максимумов, скажем, за счет того, что микрочастицы могут сталкиваться с поверхностью и двукратно.

Опять-таки согласно обзору Ф. Гудмана дифракционные явления на поверхности металлов до последнего времени наблюдались только для легких газов, например для атомов гелия на вольфраме, однако пучки атомов неона при рассеянии на той же структуре приводили только к классическим радужным эффектам.

Для молекул же, собственный геометрический размер которых более соответствующей длины волны де Бройля, например бутана, уравнение X = h/mV не проверялось совсем.

Таким образом, из экспериментов следует в качестве предварительного вывода, что справедливость формулы Луи де Бройля твердо установлена только в узком диапазоне изменения масс микрочастиц. С другой стороны, согласно квантовой механике волновые свойства присущи частицам любой массы. Тем самым создается явное про ти-

20