В 1926 году в Европу погостить и провести отпуск приехал американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон (1881—1958). Но отпуск отпуском, а какой физик упустит возможность повидаться с корифеями новой атомной науки и из первых рук получить ответы на интересующие вопросы? Тем более, что у Дэвиссона вопросы были. Год назад, когда он исследовал угловое распределение электронов, отраженных никелевой мишенью, рядом с его прибором взорвался сосуд с жидким воздухом. Конечно, вакуумная трубка с мишенью — вдребезги. Потом пришлось немало повозиться, чтобы отчистить мишень, окислившуюся от соприкосновения с атмосферным воздухом. В конце концов ему это удалось. Отчистили хорошо, на совесть. Снова запаяли в трубку, откачали воздух. Но получить прежние графики распределения не удавалось. На них появились пики и впадины, характерные не для рассеянных частиц, а скорее для интерференции волн. Почему? Непонятно. И Дэвиссон очень рассчитывал на квалифицированную консультацию европейских ученых.
Поездка оказалась удачной. В Геттингене, а затем в Оксфорде Дэвиссону удалось встретиться и поговорить с теми, кто понимали толк в интересующих его вопросах, а главное, чувствовали к ним вкус. Все специалисты, не сговариваясь, единодушно заявляли, что причина смущающих американского коллегу расхождений должна заключаться именно в волновом характере поведения электронов. Дэвиссон забеспокоился.
На обратном пути из Европы в Америку он с головой погрузился в изучение работ де Бройля и Шредингера. В те времена пароходы транспортных компаний еще преодолевали расстояние между Старым и Новым Светом за время, которого вполне могло хватить на то, чтобы подумать и составить план дальнейших исследований. Тем более, что в работе де Бройля Дэвиссон прочитал прямое указание на возможное направление поисков.
«…Дифракционные явления обнаружатся и в потоке электронов, проходящих сквозь достаточно малое отверстие. Быть может, экспериментальное подтверждение наших идей следует искать именно в этом направлении?»
Теперь Дэвиссон знал, как надо поставить решающий эксперимент! Ему стала ясна в общих чертах и причина несовпадения его графиков до и после аварии. Раскалившаяся в ходе опыта никелевая мишень в результате случайного взрыва окислилась воздухом, и никель мог кристаллизоваться. Кристаллы же его расположились таким образом, что образовали как бы дифракционную решетку, на которой падающие электроны и демонстрировали свою волновую природу. Конечно, все эти предположения следовало тут же проверить.
Дифракционной решёткой называют сочетание (или совокупность) большого числа препятствий и отверстий для электромагнитных (в частности, световых) волн. На пластинке с такими препятствиями и наблюдают картины дифракции. Для рентгеновских волн и микрочастиц (электронов) дифракционными решетками служат кристаллы, молекулы жидкостей и газов.
Едва ступив на родной континент, Дэвиссон совместно с коллегой Джермером приступил к подготовке нового опыта. И когда он закончился, то результаты не оставляли сомнений. Электроны действительно проявляли волновой характер с таким же успехом, как и характер частиц. Все зависело от условий опыта.
При этом длины «электронных волн» по результатам опыта оказались как раз равными длинам волн, теоретически предсказанным де Бройлем.
Аналогичный опыт поставил в Англии Джордж Паджет Томсон, сын знаменитого «Джи-Джи». Он пропускал электроны большой энергии через металлическую фольгу и получил прекрасные и очень убедительные фотографии дифракции.
Одно из применений «электронных волн»
Работы Дэвиссона и Томсона, подтвердившие волновой характер электронов, произвели на физиков большое впечатление. В конце двадцатых годов обоим исследователям были присуждены Нобелевские премии.
Может быть, стоит отметить еще раз преемственность поколений. Если Дж. Дж. Томсон в конце девятнадцатого века доказал, что электрон — частица, то его сын в XX веке не менее успешно доказал, что электрон — волна. Пожалуй, этот пример как нельзя лучше иллюстрирует ленинское утверждение об историческом характере наших знаний о строении материи. Со временем они меняются, открывая все новые и новые стороны предмета исследования. И с каждым годом, с каждым новым открытием наше знание становится все точнее и ближе к истинному пониманию. Но даже такой маленький объект, как электрон, оказывается неисчерпаем потому, что связан со всем бесконечным разнообразием природы.
В наши дни электронные волны получили весьма широкое практическое применение. Например, в микроскопии.
В детстве я был, помню, неприятно поражен, когда узнал, что два даже самых сильных микроскопа, составленные вместе, не дадут мне возможности рассмотреть не только строения атома, но даже молекулы.
Возможности оптических микроскопов оказались, увы, ограниченными. Самый маленький объект, который можно было в них разглядеть не должен быть по своим размерам сравним с длиной световой волны. И уж тем более — быть меньше ее.
Длины же волн видимого света, как известно, лежат в пределах примерно от 750 до 400 нанометров (то есть 750 ∙ 10-9 и 400 ∙ 10-9 метра). Дальше уменьшать длины волн нельзя, ибо они станут невидимы.
Другое дело — электронные волны. Чем больше скорость летящего электрона, тем меньше длина его волны. Значит, разогнав частицы электрическим полем, можно в их лучах увидеть очень маленькие объекты.
На таком принципе и работают современные электронные микроскопы. Наблюдения с помощью этих замечательных приборов во многом изменили наши представления о строении как неживой, так и живой природы.