Jeśli jesteś właścicielem tej strony, możesz wyłączyć reklamę poniżej zmieniając pakiet na PRO lub VIP w panelu naszego hostingu już od 4zł!

STRONA GŁÓWNA

Pomiar obwodu Ziemi

Spadek swobodny ciał

Ciała staczające się z
równi pochyłej

Rozszczepienie światła
za pomocś pryzmatu

Stała grawitacji i waga skręceń

Interferencja światła na
dwóch szczelinach

Ruch obrotowy Ziemi

Ładunek elektronu i kropla oleju

Odkrycie jądra atomowego

Dyfrakcja elektronów na
podwójnej szczelinie


































W 1909 r. Albert Einstein w jednym ze swoich artykułów snuł rozważania nad kwantową teorią światła. Wielki fizyk zastanawiał się dlaczego światło składające się przecież z cząstek zachowuje się jednocześnie jak typowa fala ze wszystkimi charakterystycznymi dla niej cechami (takimi jak interferencja, dyfrakcja i inne a wystąpienie ich uwarunkowane jest od jej długości).

Dociekania te "natchnęły" młodego francuskiego arystokratę, księcia Louisa Victora de Broglie, który w roku 1924 w swojej pracy doktorskiej zaproponował aby ten dziwny, podwójny charakter światła uznać za fundamentalną własność przyrody. Teorię tę można więc wykorzystać także do rozważań nad zachowaniem innych cząstek takich jak np. elektron. Jeśli fale mogą być jednocześnie cząstkami, to symetrycznie rzecz biorąc, cząstki mogą być falami. De Broglie poszedł dalej i przedstawił także równanie opisujące zależność między energią cząstek a długością fali.

Były to jednak tylko dociekania teoretyczne. Brakowało doświadczenia, które potwierdziłoby te hipotezy w praktyce.

Takie doświadczenie wykonali dopiero w 1927 dwaj amerykańscy naukowcy, Clinton Davisson i Lester Germer, którzy w owym czasie pracowali w słynnym Laboratorium Bella i zajmowali się badaniem lamp próżniowych. Praca ich polegała m.in. na badaniu zachowania się powierzchni metalowych pokrytych różnymi tlenkami poddanych bombardowaniu strumieniem wolno poruszających się elektronów.

W jednym z tych eksperymentów naukowcy kierowali wiązkę elektronów w kierunku kryształu niklu (próbka miała formę małej tarczki) w wyniku czego następowała wtórna emisja elektronów z tego kryształu. Kryształ niklu umieszczony był w specjalnie skonstruowanym urządzeniu do badania emisji, które posiadało dookólny ekran. Kolektor ten zbudowany był z płytki metalowej, której zadaniem było zbieranie padających na nią elektronów i pozwalał na ocenę charakteru ich rozkładu. Ekran był ruchomy i można nim było obracać wokół próbki.

Czasami w eksperymentach naukowych dużą rolę odgrywa przypadek. Tak było i tym razem. Ponieważ w czasie doświadczeń doszło do utlenienia jednej z tarczek niklu naukowcy ją podgrzali aby usunąć powstały na jej powierzchni tlenek. Po wznowieniu eksperymentów okazało się jednak, że ich wyniki są różne od poprzednich. Podgrzanie tarczy zmieniło właściwości materiału. Powstał jeden duży monokryształ niklu. Doświadczenie wykazało, że chociaż tak jak przedtem elektrony dalej były emitowane w różnych kierunkach i pod różnymi kątami to jednak dla niektórych z tych kątów emisja była wyraśnie większa.

Germera, pracującego pod kierunkiem Davissona, zastanowił rozkład elektronów powstały przy odbiciu od kryształów niklu. Uzyskany obraz zdawał się dziwnie podobny do wzorów interferencyjnych. Davisson o koncepcji de Broglie'a usłyszał w 1926 będąc na sympozjum w Anglii. Natychmiast skojarzył oba te fakty i po powrocie do USA gorączkowo zabrał się za analizowanie zgromadzonych do tej pory danych z badań. Po uważnej analizie doszedł on do wniosku, że wiązka elektronów była rozpraszana na powierzchni atomów niklu pod dokładnie takim samym kątem, który był przewidziany dla dyfrakcji promieni X zgodnie z równaniem Bragga, dla długości fali otrzymywanej z równania de Broglie'a.

Okazało się więc, że wyniki badań doskonale potwierdzają teorię de Broglie. Zaobserwowany przez Germera rozkład odbić elektronów to obraz interferencyjny powstały na skutek dyfrakcji fal płaskich. Elektrony zachowują się więc tak jak fale a ich długość zależy od energii bombardujących cząsteczek. Był to więc pierwszy "namacalny" dowód na falową naturę cząstek.

Dla celów dydaktycznych fizycy często wykorzystują eksperyment myślowy, w którym doświadczenie Younga z dyfrakcją fali na podwójnej szczelinie, przenoszą w mikroświat na poziomie kwantowym, w którym wiązkę światła zastępujemy wiązką elektronów. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, strumień cząstek powinien ulec podziałowi na dwie wiązki i słabsze strumienie powinny interferować każdy z każdym, tworząc taki sam wzór (złożony z jasnych i ciemnych kręgów) jaki byłby utworzony przez światło w makroświecie. Cząstki powinny zachowywać się jak fale.

Pośpiesznie przygotowany i opublikowany artykuł wyprzedził wyniki podobnych badań, przeprowadzane w tym samym czasie w Laboratorium im. Cavendisha w Szkocji (Wielka Brytania) przez George'a Pageta Thomsona (syna sławnego Josepha Johna Thomsona) podczas których można było zaobserwować zjawisko dyfrakcji przy bombardowaniu cienkiej folii strumieniem posiadających dużą energię elektronów. Po przejściu przez folię wiązka elektronów tworzyła na ekranie centryczne kręgi, przypominające bardzo wzory powstające przy naświetlaniu promieniami X powierzchni pokrytej proszkiem drobno zmielonych polikryształków (wynikiem tego typu dyfrakcji, powodowanym przez wiele przypadkowo skierowanych ziaren kryształu, są centrycznie położone okręgi). Przy zmianie długości fali (przez zmianę chwilowej energii elektronów), Thomson obserwował proporcjonalna zmianę średnicy pierścieni, tak jak to dla obrazów dyfrakcyjnych powstających w sieciach krystalicznych można wyliczyć z równania Bragga.

Eksperymenty te dowiodły, że fale de Broglie'a nie są tylko teoretycznymi koncepcjami ale można je także realnie zaobserwować w praktyce. Wkład Thomsona przy empirycznych badaniach fali elektronów został również doceniony i w 1937 roku za te pionierskie prace Davisson i Thomson wspólnie otrzymali Nagrodę Nobla.