Czy żelazna kula może przejść przez kulę ze stali nierdzewnej? To po prostu niemożliwe! Ale nie dla elektronów.
Elektrony, znacznie mniejsze (o promieniu około 10-15 m ) niż atomy (10-10 m), mogłyby być narzędziem do badania skali rozmiarów atomowych, dając odpowiedź na pytanie Alberta Einsteina z jego pracy doktorskiej (i z jego artykułu na temat ruchu Browna) - „jakie są rzeczywiste wymiary atomu?” (1).
A. Einstein, Annalen der Physik 17 (1905) 133-148
Phillip Lenard w swoim eksperymencie z 1895 r., przed datą „oficjalnego” odkrycia elektronu, zauważył, że elektrony (lub lepiej „promienie katodowe”) są tłumione w gazach, proporcjonalnie do ich gęstości. Wydaje się to zrozumiałe, ponieważ bardziej gęsty gaz zawiera (prawdopodobnie) większe cząsteczki.
P. Lenard, Ann.d.Phys.u.Chem. N.F. 56 (1895)
Eksperyment Phillipa Lenarda przeprowadzono jednak z szybkimi elektronami o energii 3 keV. Jego rodak, Carl Ramsauer, w 1921 r. w Gdańsku, obecnie w północnej Polsce, a wówczas w Wolnym Mieście, postanowił zbadać zachowanie powolnych elektronów. Ku jego zaskoczeniu (i zaskoczeniu Johna S. Townsenda, który zrobił to samo w Anglii inną metodą, tzw. roju), w argonie, przy pewnej energii, wiązka elektronów nie została osłabiona. Atomy argonu były przezroczyste!
[1] Ramsauer, C., Über den Wirkungsquerschnitt der Gasmoleküle gegenüber langsamen Elektronen, Annalen der Physik, 4, 64 (1921), pp. 513-540.
[2] Bailey, V. A., and Townsend, J. S., The abnormally long free paths of electrons in argon, Philosophical Magazine, S.6, 43 (1922), pp. 1127-1128.
 |
 |
W aparaturze Ramsauera wiązka elektronów została wprawiona w ruch po okręgu przez prostopadłe pole magnetyczne.
Problemem do rozwiązania pozostawała kwestia: dlaczego dla elektronów o energii kinetycznej poniżej 0,3 eV atomy argonu (i kryptonu poniżej 0,6 eV, i ksenonu poniżej 0,7 eV) wydają się być przezroczyste?
Glass
Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego (i nieprzezroczyste dla światła podczerwonego). Krzem jest szary w świetle widzialnym, ale przezroczysty w podczerwieni. Ale światło jest falą, a elektrony są cząsteczkami, jak wcześniej odkrył JJ Thomson.
Dlaczego elektrony zachowują się jak fale? Czy są falami?
Ten pomysł wydawał się tak absurdalny, że potrzebowaliśmy nie fizyka, w tym przypadku - historyka, który by zaryzykował odpowiedź. Nazywał się Luis de Broglie.
Tak, elektrony są falami, a kiedy przemieszczają się wokół jądra atomu wodoru, tworzą falę stojącą.
Cafe Richard, rue Gay Lussac, Paris
L. de Broglie, Recherches sur la théorie des quanta, Thesis, Paris, 1924.
Carl Ramsauer ponownie wszedł na scenę w 1932 roku w Berlinie. Jeśli elektrony są falami, wówczas powinny ukazać „falowy” wzór po rozproszeniu.
Lago Tovel, Trentino
C. Ramsauer pomierzył w Berlinie kątowe rozkłady rozproszonych na argonie elektronów: pokazały one falowy wzór!
 |
 |
Ale wówczas nie było to już zaskoczeniem: w międzyczasie E. Schrodinger sformułował bowiem własną interpretację mechaniki kwantowej.
W mechanice kwantowej wędrujący elektron jest podobny do fali.
Gdy rozprasza się na przeszkodzie, tworzy fale rozchodzące się we wszystkich kierunkach.
Natężenie fali rozproszonej w danym kierunku opisujemy wzorem
gdzie i jest jednostką urojoną, k jest „liczbą falową” związaną z energią elektronu, I określa moment pędu elektronu, P jest wielomianem, a h jest tak zwanym przesunięciem fazowym, tj. wielkością, o którą fala padająca opóźnia (lub przyspiesza) nie rozproszoną falę elektronową.
Pokażemy teraz, jak eksperymentalny rozkład kątowy może być przybliżony przez zmianę przesunięć fazowych pojedynczych fal cząstkowych, które tworzą falę rozproszonych elektronów (robisz to za pomocą potencjometrów, część złożona exp (2i?) jest pokazana na pierścieniu, rozkład kątowy pokazano w ramkach).
Program Heleny Nowakowskiej (możesz go pobrać tutaj)
Spróbuj ustawić trzy potencjometry na zero i wykorzystaj tylko jeden z nich. Zobacz zmieniające się kształty, w zależności od tego, który potencjometr jest niezerowy. Jak w prawdziwym zjawisku rozproszenia.
Zobacz na przykład:
M. Allan, Measurements of the elastic and v=0›1 differential electron-N2 cross section over a wide angular range, J.Phys. B 38 (2005) 3655