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

Кнасосу

тора» (селектора скоростей), и связанных с ним рассеивающего кри­ сталла и спектрометра Эстермана, Фриша и Штерна. [Zs. f. Phys., 73, 358 (1931), Fig. 11.J

устройство могли проходить молекулы всех скоростей и пучок просто ослаблялся в отношении (ширина щели) : (ширина промежутка). При несколько более быстром вращении зубчатых колес более медленные молекулы, прошедшие одну из щелей в первом колесе, уже не могли попасть в соответствующую щель второго колеса. При еще более быст­ ром вращении в эти условия попадали молекулы с большими скоростями, но в этом случае более медленные молекулы могли проходить сквозь следующую щель во втором зубчатом колесе. Чем быстрее вращались колеса, тем больше была и скорость молекул, отбираемых этим путем. Если мы обозначим буквой ѵ число оборотов (в единицу времени) и бук­ вой г — число щелей, то 1/vz будет означать время, в течение которого колесо поворачивается на одну щель. Если пренебречь шириной щели, то можно считать, что сквозь вторую щель смогут пройти только те молекулы, скорость ѵ которых позволяет им в точности за это время

покрыть расстояние /, разделяющее два колеса. Следовательно, ѵ определяется уравнением І/ѵ~ 1 /\ г, v— lzv. В нашем случае /—3,1 см (расстояние между обращенными друг к другу поверхностями колес 3,0 см плюс толщина колеса 0,1 см), z=408, значит, п=1265ѵ см/с.

Полученный в результате монохроматический пучок анализировался с помощью рассеяния на кристалле фтори­ стого лития почти так же, как в предыдущей работе.

Схема прибора показана на фиг. 10.12. Через Or обозна­ чено выходное отверстие печи; пучок формируется канало­ видной щелью sr Зубчатые колеса в боковой проекции обоз­ начены буквами Zx и Z2; их ось А укреплена в шарикопод­ шипниках и связана гибкой муфтой со второй осью, прохо­ дящей сквозь масляное уплотнение в стенке вакуумной ка­ меры и несущей на себе приводной шкив. Детекторы A f и Afk были изготовлены путем фрезерования прямоуголь­ ных пазов в латунной плоскоотшлифованной пластине; затем пазы закрывались стеклянными пластинками. От­ верстие для оси, вокруг которой поворачивался кристалл, также фрезеровалось в пластине, чем обеспечивалась комп­ ланарность оси и детекторов. Имелись также специальные приспособления, посредством которых кристалл можно было выводить из пучка, падавшего в этом случае непосредственно на компенсационный детектор Afk.

Первый шаг состоял в проверке действия селектора ско­ ростей, которая осуществлялась путем измерения интенсив­ ности прямого пучка как функции скорости вращения ко­ лес. Согласно кинетической теории газов, результат должен был бы изображаться кривой, представленной на фиг. 10.13,а. Вместо этого наблюдался сначала подъем и последующий спад кривой (фиг. 10.13, б). Такое поведение было обуслов­ лено плохой юстировкой щелей sx и s2, вследствие чего пучок шел не строго параллельно оси. Частично это удалось скор­ ректировать, но добиться точной юстировки оказалось не­ возможно. «Мы удовлетворились такой степенью юстировки и компенсировали эту ошибку, вычисляя скорость ѵ моле­ кул по формуле у=0,969 lzv= 1226 ѵ см/с». Множитель 0,969 рассчитывался по степени остаточной разъюстировки и по размерам колес.

Теперь все было готово для настоящих измерений,—. определения интенсивности рассеянных частиц как функ­ ции угла при разных значениях скорости вращения.

Фиг. 10.13. а — идеальная кривая зависимости интенсивности прямого

Полученные кривые показаны в необработанном виде на фиг. 10.14. Верхняя кривая соответствует скорости вращения, равной 3 об/с. Такая скорость достаточно мала, чтобы прак­ тически все молекулы могли пройти сквозь щели. При этом получается именно то распределение по скоростям, которое ожидалось на основании кинетической теории,— максвел­ ловское распределение. Следующая кривая получена в ус­ ловиях, когда часть более медленных молекул отсекалась; распределение соответственно сдвинуто в сторону больших скоростей, меньших длин волн де Бройля и меньших углов рассеяния. Остальные кривые

... представляют собой кривые рассеяния, полученные с более высокими скоростями вращения и, следовательно, с монохроматизацией. Как можно видеть, при увеличении скорости вращения положение макси­ мума рассеяния постепенно сближается с направлением отраженного пучка, так как длина волны де Бройля становится меньше при отборе более быстрых атомов.

Из числа оборотов ѵ по формуле ѵ = 1226ѵсм/с рассчитывалась скорость молекул, а отсюда, согласно соотношению де Бройля, находилась соот­ ветствующая длина волны Х = Іі/т ѵ = (80,5/ѵ)- ІО-8 см. Углы рассеяния, вычисленные по этим значениям длины волны ... указаны стрелками. Все измеренные максимумы лежат в области несколько меньших длин волн, чем дает расчет. Этого следовало ожидать, так как при использо­ вавшихся скоростях вращения мы находились на возрастающей стороне кривой максвелловского распределения и поэтому в отбираемом интер­ вале скоростей преобладали более быстрые атомы (короткие длины волн).

ВОЛНОВЫ Е СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

1 5 1

К ривая 13

Кривая 18

Фиг. 10.14. Необработанные кривые зависимости интенсивности рас­ сеяния от угла рассеяния для нескольких значении скорости вращения селектора скоростей, указанных числами справа. [Zs. f. Phys., 73, 362 (1931), Fig. 15.]

Более наглядно это показано на фиг. 10.15. Сплошная кривая изображает общее максвелловское распределение, из которого селектор скоростей выбирает лишь сегмент, ограниченный сверху и снизу предельными значениями скоростей; последним соответствуют вертикальные линии. Из самого смысла кривой распределения следует, что в

Фиг. 10.15. Сущность «вырезания куска» из максвелловского распре­ деления с помощью механического селектора скоростей. Сплошная кривая представляет собой функцию распределения / (о), обладаю­ щую тем свойством, что величина f (ѵ) dv дает долю молекул пучка, имеющих скорости между ѵ и v-j-du. Вертикальные (пунктирные) линии показывают, каким образом селектор скоростей «разрезает» распре­

деление.

таком сегменте содержится гораздо больше молекул со ско­ ростями вблизи верхнего предела, чем вблизи нижнего.

Мы в соответствии с этим ввели поправки |самые нижние четыре кривые на фиг. 10.14], поделив каждую ординату на значение орди­ наты, соответствующей той же самой абсциссе на кривой, полученной без монохроматизации Іверхняя кривая на фиг. 10.14], чтобы, так ска­ зать, уравнять в падающем пучке интенсивности для всех длин волн...

На полученных этим способом кривых [фиг. 10.16] максимумы в преде­ лах точности измерения лежат в местах, соответствующих расчетам.

' Форма этих кривых показывает, что при высоких ско­ ростях вращения положения максимумов можно опреде­ лить с большой точностью. При этих скоростях, кроме-того, отбираемый интервал приближается к максимуму максвел­ ловского распределения. «Поскольку в этой области к тому же мала и вышеупомянутая поправка, то измерения прово­ дились при скорости, равной 133,3 об/с, со специальной целью численно проверить соотношение де Бройля X=h/mv настолько точно, насколько возможно». Измерения были проведены в два разных дня с различными кристаллами; в

Фиг. 10.16. Нижние четыре кривые из фиг. 10.14, приведенные к одной и тон же интенсивности падающего пучка. [Zs. f. Phys., 73, 363 (1931), Fig. 16.]

каждом случае измерялись отраженный пучок и максимумы по обе стороны от него. Оказалось, что максимумы распо­ ложены симметрично относительно отраженного пучка с точностью в пределах 0,1°; полученное до обработки значе­ ние угла, под которым находился максимум, было равно 18,9° в одной серии измерений и 19,0° в другой, в среднем составляя 18,95°. Приведение к одной и той же интенсив­ ности падающих частиц сдвинуло это значение на 0,5° — до 18,45°, что соответствует длине волны 0,600-ІО-8 см. Ско­ рости вращения, равной 133,3 об/с, отвечает скорость моле­ кул 1,63510й см/с, соответствующая длине волны 0,604ІО“8 см. Расхождение в 2/3% лежало целиком в пределах по­ грешности эксперимента, составлявшей от 1 до 2%, и гипо­ теза де Бройля была количественно подтверждена. Успеш­ ное выполнение эксперимента, конечно, подтвердило и качественные аспекты.

Таким образом было показано, что материя обладает волноподобными свойствами, которые можно сделать наблю­

даемыми, должным образом выбрав соответствующие пара­ метры. Не удивительно, что в свое время эти свойства, а так­ же аналогичное поведение света рассматривались как пара­ доксальные. Постепенно, однако, все более укреплялась следующая интерпретация: ни классическая концепция «ча­ стицы», ни представление о «волне» не могут быть верными, когда они применяются по отношению к миру очень малых объектов. Скорее, существует нечто третье, для чего у нас еще нет единого названия, что иногда подобно классической частице, а в других случаях подобно классической волне. Это и есть тот «материал», из которого построена Вселенная.

Наиболее существенны следующие статьи Штерна и его сотрудников:

на немецком языке.