Бег за бесконечностью - Александр Потупа

Вот, оказывается, в чем суть дела! Будь электрон просто частицей, он мог бы носиться вокруг ядра на любом расстоянии. Но его неизбежно сопровождает волна, и ему приходится думать и о ее существовании. А волна, в свою очередь, «выбирает» только те орбиты, на которых она может уложиться целое число раз. Иными словами, отношение длины окружности, по которой бегает электрон, к длине сопровождающей его волны непременно должно быть целым числом. Очевидно, что орбиты, удовлетворяющие этому условию, окажутся выделенными, а на всех остальных орбитах просто не хватает места для того, чтобы «электронная волна» бежала по замкнутой окружности, уложившись в ней целое число раз.

Исходя из таких соображений, Л. де Бройль сумел объяснить закономерности расположения электронных орбит в атоме и правила, по которым атомы излучают фотоны строю определенных частот. Это был огромный, но отнюдь не главный успех молодого исследователя. Из его гипотезы следовало, что волновые свойства электронов должны проявиться и вне атомов. В частности, электроны должны были рассеиваться на достаточно малых препятствиях, подобно электромагнитным волнам, в частности, свету, образуя дифракционную картину.

Дифракция — очень интересное явление. Его обнаружение явилось в свое время решающим аргументом в пользу волновой теории света. Еще древние греки догадывались, что свет распространяется прямолинейно, от какого источника он бы ни исходил: от гигантского Солнца или от маленького костра. И. Ньютон положил этот факт в основу своей теории, считая, что свет состоит из мельчайших частичек — особых световых корпускул. С такой точки зрения легко и наглядно объясняется, например, образование тени. Скажем, в яркую, солнечную погоду многие пользуются зонтиками. Это простейшее приспособление для того, чтобы избежать чрезмерного загара; оно действует по принципу поглощения светового потока. Для световых корпускул зонтик играет роль экрана. Такова же его роль и во время дождя, когда экранируется поток дождевых капель. В первом случае зонтик отбрасывает тень на тротуар, а во втором — образуется небольшой сухой круг, в который не могут попасть капли.

Казалось бы, налицо полная аналогия между световыми и дождевыми корпускулами! Но уже довольно давно был обнаружен и один «неприятный» факт: края тени оказываются всегда несколько размытыми. При более подробном изучении рассеяния света на небольших препятствиях или при его прохождении сквозь малые отверстия физики выяснили, что свет попадает и туда, куда не должен был бы попадать ни в коем случае, будь он и в самом деле потоком ньютоновских корпускул. Скажем, проходя сквозь малое отверстие, свет оставляет на экране яркое пятно, но вокруг этого пятна появляются дополнительные кольца. Аналогичная картина возникает и в том случае, когда на пути светового луча помещается небольшой предмет — помимо главной тени, на экране образуются дополнительные затененные места.

Все эти явления нельзя понять с точки зрения модели прямолинейно распространяющихся световых корпускул. Если эта модель была бы верна, то зонтик или любой другой предмет отбрасывал бы абсолютно четкую, словно «ножом обрезанную» тень, не говоря уж о том, что не появлялись бы дополнительные кольца освещения или затенения. Зато такие эффекты легко объяснялись в волновой теории, согласно которой свет, как и всякая волна, должен был слегка огибать края препятствия, проникая в, казалось бы, запрещенную зону. Это явление и называется дифракцией.

Разумеется, видимый свет представляет собой лишь частный случай электромагнитного поля. Поля с другими характерными длинами волн радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-излучения — также способны испытывать дифракцию на различных препятствиях, однако, чтобы образовалась ясная волновая картина, необходимо ставить опыты с такими предметами или отверстиями, которые соизмеримы с длиной падающих на них волн. Это условие нетрудно выполнить, например, для радиоволн, длина которых практически заключена в интервале от долей сантиметра до сотен километров. Препятствия такого размера, как говорится, всегда под рукой. Но чем короче волны, тем труднее отыскать необходимые препятствия. Скажем, для появления хороших дифракционных картинок при рассеянии обычного видимого света приходится устраивать особые сверхтонкие решетки. Но уже для рентгеновских лучей, обладающих гораздо меньшей длиной волны, никакими механическими средствами такие решетки сделать нельзя. Как вы помните, для доказательства их волновой природы пришлось использовать естественные тончайшие структуры кристаллических решеток вещества.

Такого же рода проблемы приходилось решать и для экспериментального открытия волновых свойств электронов, предсказанных Л. де Бройлем. Физики заранее представляли себе, что длины волн в случае электронов очень малы, и только атомно-молекулярные кристаллические решетки помогут подтвердить или опровергнуть замечательную гипотезу. В этом плане поиск ответа был достаточно целенаправленным, однако «господин Счастливый Случай» и на этот раз сказал свое веское слово…

В 1928 году американские физики Ч. Дэвиссон и Л. Джермер изучали рассеяние электронов на никеле. В распределении рассеянных частиц исследователи наблюдали какие-то слабо выраженные максимумы — своеобразное усиление «засветки»; но, поскольку эффект был очень незначительным, никто не обращал на него внимания. Во время одного из экспериментов произошла неприятность — в прибор проник воздух, и никелевый образец окислился. Чтобы не терять времени на поиск нового образца чистого никеля, физики решили устранить окисную пленку, прокаливая никель в вакуумной камере.

Повторив опыт с обновленным образцом, они увидели, что максимумы стали гораздо заметней. Конечно, сначала этот факт вызвал немалое удивление, но получившееся распределение рассеянных электронов до того напоминало известные дифракционные картинки для света и рентгеновских лучей, что не оставалось и тени сомнения — открыта дифракция дебройлевских электронных волн! Прокаливание никелевого образца в вакууме оказало неоценимую услугу, так как наряду с устранением окисной пленки произошло укрупнение кристаллов никеля. Благодаря этому слабо выраженная дифракционная картина стала отчетливой, и рядовая работа привела к открытию мирового значения.

Буквально через несколько месяцев блестяще завершились эксперименты профессора Абердинского университета Дж. П. Томсона, который исследовал рассеяние электронов на тонких золотых пластинках, специально приготовленных для проверки дебройлевской гипотезы. Полученные им фотопластинки демонстрировали удивительное сходство с уже известными результатами опытов по дифракции рентгеновских лучей. Так сын (Дж. П. Томсон — сын известного «Джи-Джи») немного «подправил» открытие отца, доказав, что сторонники волновой природы катодных лучей были не так уж далеки от истины.

Независимо от американцев и англичанина дифракция электронов была зарегистрирована в опытах советского физика П. Тартаковского.

История предсказания и открытия волновых свойств электрона необычайно богата событиями, которые произошли на более поздних этапах развития физики элементарных частиц. Посмотрите, как интересно получается!

Во-первых, работы Л. де Бройля знаменовали первую серьезную смену моделей самой элементарной частицы. Немного перефразируя упомянутое ранее высказывание Г. Липсона по поводу открытия электрона, можно отметить, что после этих работ теория частиц никогда уже не будет похожа на ту, которая существовала до установления волновых свойств.

Во-вторых, в гипотезе Л. де Бройля был использован в предельно чистой форме метод аналогий, который является практически основным методом построения новых теоретических моделей, особенно в период бурного развития определенного раздела науки. Именно аналогии позволяют современным теоретикам добиваться понимания удивительно тонких закономерностей микромира.

В-третьих, опять-таки в очень чистой форме здесь можно наблюдать всю важность теоретического опережения. Ведь, казалось бы, ничто не мешало тому же Дж. Дж. Томсону предвосхитить открытие собственного сына на 30 лет. В его лаборатории было все необходимое — и хороший поток электронов, и золотая фольга, и фотопластинки, и… не хватало только идеи дифракционного эксперимента. Можно возразить: в то время еще не знали, что фольгу следует использовать в качестве своеобразной дифракционной решетки. Пусть так, но ведь и этот факт был установлен за 16 лет до опытов Дэвиссона-Джермера и Дж. П. Томсона!

Новое свойство электрона вскоре было поставлено на службу науке. Из модели Л. де Бройля следовало, что длина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу: то есть с помощью достаточно быстрых электронов можно в принципе разглядеть отдельные атомы! Так родилась идея электронного микроскопа, первый образец которого заработал уже в 1931 году. Правда, практически увидеть отдельные атомы с его помощью так и не удалось, но после некоторых усовершенствований было достигнуто примерно 100000-кратное увеличение, и физики смогли как следует разглядеть молекулярную структуру кристаллов.