Электроны: волны или частицы?

Среди крупнейших проблем физики XX в. одно из первых мест занимает вопрос о фундаментальной природе вещества и излучения. Излучение распространяется в виде волн, однако, согласно представлениям квантовой механики Эрвина Шрёдингера, свет состоит из частиц - фотонов. Вместе с тем казалось очевидным, что вещество состоит из частиц, однако Луи де Бройль показал, что всякой фундаментальной частице можно приписать частоту так, как если бы она была волной.

Можно ли в самом деле рассматривать свет как частицы, а вещество как волны? Первую экспериментальную попытку решить эту проблему предприняли Клинтон Дж. Дэвиссон и Лестер X. Джермер. В их знаменитом опыте узкий пучок электронов, испускаемых "электронной пушкой" с горячим катодом, направлялся на вращающуюся мишень - монокристалл никеля. Экранированный коллектор, установленный на поворотном стержне, позволял с помощью электрометра регистрировать электроны, рассеянные на мишени. Распределение рассеянных электронов выглядело в точности так же, как картина дифракции рентгеновских лучей. "Являются ли электроны волнами? - риторически спрашивал Дэвиссон. - Проще всего ответить на этот вопрос вопросом: являются ли волнами рентгеновские лучи? Если рентгеновские лучи - волны, то и электроны тоже".

Одновременно и независимо этим вопросом занимался и профессор Абердинского университета Джордж П. Томсон, сын знаменитого Джозефа Джона Томсона, открывшего электрон. Вместо пучка медленных электронов, который было трудно регулировать, Томсон использовал пучок быстрых электронов, создаваемый катодной трубкой; вместо отражения от толстой пластинки он исследовал прохождение электронов через тонкую фольгу, а для регистрации результатов вместо гальванометра взял фотографическую пластинку. К этому опыту Томсона побудило сообщение об эксперименте в Кембриджском университете, где при рассеянии электронов в гелии была получена картина колец. Позднее выяснилось, что эти наблюдения были ошибочными, однако они помогли Томсону правильно поставить задачу!

В первом опыте, который Томсон проводил вместе со своим учеником А. Райдом, электроны пролетали через целлулоидную пленку толщиной в несколько миллионных долей сантиметра и регистрировались на фотографической пластинке, установленной в 10 см от пленки. Если бы пленка была более толстой, то электроны претерпевали бы в ней многократное рассеяние - и дифракционная картина оказалась бы размазанной. Чтобы предотвратить рассеяние электронов на молекулах воздуха, установку откачивали. При низких ускоряющих напряжениях (2500 В) дифракционная картина представляла собой размытый круг, но при повышении напряжения (до 16 500 В) круг превращался в точку, окруженную концентрическими кольцами, "по виду напоминавшими гало вокруг Солнца в туманную погоду". При дальнейшем повышении напряжения кольца становились более резкими.

Все говорило о том, что электроны в катодных лучах дифрагируют на пленке; однако слабым местом опыта оставалось использование целлулоида, атомная структура которого не была известна с достаточной точностью. Поэтому Томсон решил заменить его металлическими пленками с известной структурой кристаллической решетки, начав с золотой фольги. Была сконструирована новая, большая по размерам установка, где катодную трубку с фольгой можно было перемещать, получая дифракционные картины на одном из двух участков фотопластинки или на люминесцентном экране. Воздух из установки откачивался с помощью ртутного насоса.

Позднее Томсон писал, что с золотой фольгой сразу удалось "получить дифракционные кольца, которые количественно согласовывались с теоретическими расчетами для гранецентрированной кубической решетки золота со стороной 4,06 А". Здесь мы приводим самые первые фотографии Томсона. "Вы увидите, - писал он, - рядом две дифракционные картины с указанием напряжения. Видно, что большие кольца соответствуют меньшей энергии".

Все опыты с различными образцами фольги приводили к удивительному выводу. "Детальное согласие этих экспериментов с теорией де Бройля [утверждающей, что частица ведет себя как группа волн, длина и скорость которых зависят от скорости и массы частицы], на мой взгляд, следует рассматривать как важное свидетельство в ее пользу. Это означает, что механику Ньютона (включая и ее релятивистские модификации) можно рассматривать лишь как первое приближение к истине, находящееся в таком же соответствии с точной теорией, в каком геометрическая оптика находится с волновой. Как бы трудно ни было сразу принять такое обобщение, полученные результаты, по-видимому, невозможно объяснить иначе как дифракцией". Дуализм волн и частиц был признан реальностью, а за свои эпохальные эксперименты Дэвиссон и Томсон были удостоены в 1937 г. Нобелевской премии по физике.

Октябрь 1927 г. Абердинский университет, Шотландия Дж. П. Томсон. Катодная трубка с напряжением 57000 В (слева); 34000 В (справа); вакуумированная камера. Музей науки, Лондон. [117, 238, 276, 277]