§ 3. Корпускулярные свойства микрочастиц

В механике под частицей понимают материальную точку, протяженностью в пространстве которой можно пренебречь.

Примеры микрочастиц:

- электрон с максимальными размерами 10^-14 м

е = 1,602 · 10^-19 К

т = 9,11 · 10^-31 кг

- протон и нейтрон с размерами ≈ 3 · 10^-15 м

Заряд протона + 1,602 · 10^-19 К

т_р = 1,672 · 10^-27 кг

т_п = 1,675 · 10^-27 кг

Известно очень много других частиц, участвующих в ядерных превращениях. Возможны взаимные превращения частиц, например: нейтрон превращается в протон и электрон.

Частицы могут взаимодействовать с излучениями, например со светом или рентгеновскими лучами и поглощать или испускать кванты энергии.

Следы пролета частиц в камере Вильсона, на фотопленке и т.д. не оставляют сомнений в их реальности.

Законы движения частиц в силовых полях хорошо изучены, разбираются в курсе физики, и нет необходимости их здесь рассматривать.

Нам же наиболее интересны волновые свойства микрочастиц.

§ 4. Волновые свойства микрочастиц

Классическая механика хорошо предсказывает поведение электронов в обычных лабораторных условиях, движение их в электрических и магнитных полях. Но опыты по взаимодействию электронов с атомами вещества показали, что здесь законы классической механики неприменимы.

Это показали, в частности, опыты по дифракции электронов, проведенные в 20^х годах Дэвиссоном и Джермером.

Схема опыта:

Д етектор может вращаться, так что угол φ – переменный.

По классической теории – почти равномерное рассеяние электронов во все стороны.

Потенциал детектора примерно равен потенциалу катода пушки, так что потеря энергии электронами исключает их попадание в детектор.

Опыт показал существенную зависимость тока детектора от энергии электронов К, максимум - при К = 54 эВ (рис. 11).

Кроме того, максимальное число электронов отражается под вполне определенным углом φ = 50⁰ (рис. 13).

П олучается картина, очень похожая на отражение рентгеновских лучей от кристалла. Действительно, отражение рентгеновских лучей от кристаллической решетки подчинено закону Брегга:

где: d – расстояние между слоями атомов

θ – угол падения

λ – длина волны рентгеновских лучей

n – целое число

Разность хода лучей (её можно подсчитать из рис. 12) равна для синфазности лучей .

Поскольку электроны рассеиваются так же как и рентгеновские лучи, причем угол рассеяния зависит от их энергии, можно предположить, что что это связано с наличием у электрона волновых свойств, причем длина волны определяется кинетической энергией электрона.

В 1924 г. де-Бройль выдвинул следующую гипотезу: Закономерности движения потоков частиц могут быть получены из рассмотрения волн, соответствующих этим частицам и имеющих длину (длина волны де-Бройля).

З ная энергию электронов, т.е. υ, а также зная т, т.е. λ, по формуле Вульфа-Брегга найдем d (θ - из опыта).

Оно оказалось в точности равным тому, которое было определено по рентгеноструктурному анализу.

Проверка аналогичности отражения электронов и рентгеновских лучей проводилась на массе мишеней, энергий, углов и всегда удовлетворялось условие Вульфа-Брегга, если приписать электрону свойства волны с длиной по формуле де-Бройля.

Волновые свойства есть не только у электронов, но и у всех микрочастиц. Наиболее часто пользуются дифракцией нейтронов для изучения ядерной структуры вещества. Нейтроны также подчиняются условию Вульфа-Брегга, если принять, что их движение сопровождает волновой процесс c .