Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf

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.

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.]

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.

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

Расположение атомов и обозначение азимутов

Фиг. 10.5. Расположение атомов в семействе плоскостей {111} никеля. [Phys. Rev., 30, 712 (1927), Fig. 6.]

мами первого слоя, являются {1 10}-направлениями кристалла, а линии, соединяющие его с тремя ближайшими атомами следующей плоскости, представляют собой ортогональные { 100}-иаправления. Будет удобно говорить об азимутах этих последних направлений, как о {100}-азиму- тах. Азимуты {1 10}-направлений являются и азимутами трех побочных {і 11}-направлений... и мы будем обозначать их как {і 11}-азимуты. Нам нужно также обозначить азимуты, делящие пополам двугранные углы между соседними плоскостями, относящимися к группам, которым уже дано определение. Имеется шесть таких азимутов, они будут обозначаться как {1 10}-азимуты.

Из тригональной симметрии кристалла следует, что если интенсив­ ность рассеяния обнаруживает азимутальную зависимость при переходе от азимута {Ю0} к ближайшему соседнему азимуту {111} (60е), то та же самая зависимость должна наблюдаться в обратном порядке при даль­ нейшем азимутальном движении от 60° к следующему {100}-азимуту, Зависимость от азимута должна быть четной функцией с периодом 2я/3,

Ток рассеянных электронов зависит от четырех перемен­ ных: тока бомбардирующего пучка, азимута, угла рассея­ ния (который Дэвиссон и Джермер назвали «дополнением широты») и потенциала бомбардировки, т. е. разности по­ тенциалов, ускоряющей электроны в электронной пушке. Зависимость от тока бомбардирующего пучка есть простая

5 :