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

140 ГЛАВА 10

лоіЪ. Тем не менее результаты были обнадеживающими. Они не только подтверждали возможность наличия дифрак­ ционного максимума, как было отмечено в предыдущей ци­ тате, но н показывали, что коэффициент отражения (исполь­ зовались отражательные решетки) менялся в зависимости от угла падения и температуры газа (а следовательно, от скорости и длины волны частиц) так, как можно ожидать в случае волноподобного поведения частиц.

Поэтому были предприняты исследования, в которых дифракционной решеткой служила решетка кристалла. «По­ скольку постоянная решетки в этом случае по порядку ве­ личины составляет несколько ангстрем ( 1 Â = 1 0 - 8 C M ) , м ы могли работать при больших углах падения 11 (от 5 до 45°), что с экспериментальной точки зрения означает усовершен­ ствование». Схема прибора показана на фиг. 10.8. Здесь О— щель «печи», к которой газ подходит по трубке а; D1 пред­ ставляет собой либо сосуд Дьюара для охлаждения газа до температуры жидкого воздуха, либо нагреватель. Щель, фор­ мирующая изображение, обозначена через Аа на виде свер­ ху и через Ab на боковой проекции, К» — кристалл, A f— Щель детектора, а Rx— трубка, соединяющая камеру детек­ тора с измерительным манометром. Положение детектора и кристалла можно было устанавливать с помощью латунных шлифов 5! и S„соответственно, которые были в точности коаксиальны, причем их общая ось лежала на поверхности кри­ сталла.

Результаты были довольно неутешительны; в частности, все еще не удавалось с определенностью установить наличие ожидаемых дифракционных картин.

Тем не менее во всех измерениях обнаруживался заслуживающий внимания результат, состоящий в том, что при малых углах отражение становилось тем лучше, чем выше была температура пучка и, следова­ тельно, чем меньше была длина соответствующей волны де Бройля. При больших углах падения (30°) справедливо обратное...

Помимо того факта, что подобное четкое отражение нельзя понять на основе классической теории, его интерпретацию можно дать, лишь обратившись к волновой природе пучка молекул; вышеописанное пове­ дение коэффициента отражения также можно понять, только основы­ ваясь на волновой теории.*

Заметим, что здесь, как и при исследовании рентгеновских лучей,-угол падения обычно измеряют от поверхности, а не от нормали к ней, как в оптике.

Фиг. 10.8. Первый вариант прибора, использовавшегося Кнауэром и Штерном для изучения рассеяния молекулярных пучков кристал­ лом. [Zs. f. Phys., 58, 783 (1929), Fig. 2.]

Штерна, однако, не обескуражило отсутствие полного успеха. Даже несмотря на то, что «г-н Кнауэр, к моему вели­ кому сожалению, ради своих собственных работ пожелал прервать сотрудничество в данном исследовании», Штерн продолжал работать сначала один, а затем вместе с И. Эстерманом, с которым он в 1930 г. опубликовал окончатель­ ные результаты. Из всего сделанного им за этот период, по-видимому, наиболее полезным оказалось гораздо более глубокое изучение теории дифракции на двумерной решетке, каковой является поверхность кристалла (в отличие от одно­ мерной решетки, изготовленной нанесением штрихов). Действительно, один из основных вопросов, обсуждавшихся в статье 1930 г., заключался в том, в какой мере особен­ ности дифракции на решетке ответственны за неубедитель­ ный характер первых результатов.

Теория... показывает, что [для устройства, применявшегося Кнауэром и Штерном] спектры рассеяния должны были появляться в направ­ лениях, которые для ожидаемой длины волны де Бройля составляли угол от 8 до 9° с отраженным лучом и лежали почти в плоскости пучка (в пределах 1—2е). Здесь под «плоскостью пучка» мы подразумеваем плоскость, определяемую направлением пучка и длинной стороной прямоугольника, являющегося поперечным сечением... пучка. Пучок в этих опытах падал на поверхность кристалла таким образом, что длин­ ная сторона прямоугольника была параллельна поверхности кри­ сталла... Такие максимумы должны при использовавшихся размерах прибора тоже регистрироваться детектором. Из теории следует далее, что при небольшом повороте кристалла вышеупомянутые максимумы рассеяния частично уходят из плоскости пучка... Кроме того, теория указывает, что для больших углов падения этот эффект выражен менее резко... Это предположение сразу же объясняет удивительный резуль­ тат Кнауэра и Штерна... Для непосредственного изучения спектров рассеяния прибор был перестроен таким образом, чтобы пучок падал на кристалл «боком».

На фиг. 10.9 показана схема модифицированного при­ бора. Существенные отличия от предыдущего варианта зак­ лючались в том

...что кристалл теперь закреплялся в кристаллодержателе гори­ зонтально, в то время как раньше он вставлялся вертикально... и пучок соответственно был направлен так, что угол падения составлял П1/ ^ ...

Детектор был отклонен на такой же угол, но в других отношениях сох­ ранял свое расположение, и поэтому теперь ось его вращения была пер­ пендикулярна поверхности кристалла, в то время как раньше она ле­ жала в плоскости этой поверхности.

Фиг. 10.9. Более поздний вариант прибора для изучения рассеяния молекулярных пучков. [Zs. f. Phys., 61, 98 (1930), Fig. 7.]

Характер результатов иллюстрируется кривыми на фиг. 10.10, причем кривая, отмеченная цифрой I I I , представ­ ляет собой первую кривую, полученную с помощью нового устройства. «Они определенно показывают наличие ожидае­ мых максимумов рассеяния». Отсутствие максимумов на кри­ вой IV также согласуется с теорией. Однако «сдвиг максиму­ мов рассеяния с температурой, ожидаемый согласно формуле де Бройля1’...происходит в нужном направлении, но слишком мал по величине».

И В соотношении де Бройля Х =Іі/т ѵ знаменатель можно записать в виде (tn2v2y U = (2 n iE y U \ для максвелловского распределения наиболее

iHJ

Фиг. 10.10. Рассеяние Не и Н, на каменной соли. Все кривые, кроме кривой IV , получены с кристаллом, ориентированным так, что пло­ скость падения или плоскость, перпендикулярная ей, содержала лишь атомы одного сорта; кривая IV получена при повороте кри­ сталла в его же плоскости на 45°, поэтому в плоскости падения чередовались атомы натрия и хлора. [Zs. f. Phys., 61, 99 (1930), Fig. 8.]

Это обстоятельство в свою очередь было связано с несо­ вершенством юстировки прибора. В частности, конструк­ ция, поддерживающая «печь», меняла свои размеры с тем­ пературой. Еще более важное значение имело то, что ино­ гда поверхность кристалла оказывалась не точно перпен­ дикулярной оси, и поэтому действительные направления

падения и рассеяния не совпадали с измеренными. Была произведена дальнейшая модификация держателя кристал­ ла с тем, чтобы обеспечить возможность юстировки с уче­ том последнего обстоятельства. Кроме того, это устройство позволяло легко менять угол падения на несколько градусов7 благодаря чему поиск можно было вести в значительно более широких пределах. Действительно, «для каждого по­ ложения детектора мы искали „наиболее благоприятный нак­ лон“, т. е. наклон, для которого интенсивность рассеянного пучка достигала максимума...»

Эстерман и Штерн продолжали работу с каменной солью до тех пор, пока не убедились, что улучшенный вариант прибора позволяет выполнять достоверные и точные изме­ рения дифракции на двумерной решетке. «Между тем,— пишут они,— мы обнаружили, что опыты с решеткой LiF дают гораздо более простую и ясную картину», поскольку «мы получили существенно лучшее отражение, более узкие пучки и более интенсивные максимумы...» Поэтому осталь­ ная часть работы была выполнена с фтористым литием.

ТАБЛИЦА 10.1. Сравнение наблюдаемых и расчетных

положений максимумов для молекул Н., и Нс, рассеянных

фтористым литием

П олож ение м аксим ум а, град

Типичные результаты показаны на фиг. 10.11; несколько серий данных сведены в табл. 10.1. Согласие в общем хоро­ шее; особенно интересен тот факт, что максимум для гелия при 290° и«максимум для водорода (половина массы гелия)