МОЙ ДОКЛАД ПО ФИЗИКЕ

Санкт-Петербургский Государственный университет телекоммуникаций имени профессора М.А.Бонч-Бруевича

Реферат по физике на тему:

«Опыты по дифракции электронов.»

Выполнил: студент гр. ИКТ-205

Смаль С.Д.

Проверил: Савушкин Л.Н.

Санкт-Петербург, 2013

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ — упругое рассеяние электронов на кристаллах или молекулах жидкостей и газов, при котором из первичного пучка образуются отклонённые на определённые углы дополнительные пучки электронов. Углы отклонения от начального направления и интенсивности таких пучков определяются структурой рассеивающего объекта. Дифракция электронов , открытая в 1927 К. Дэвиссоном и Л. Джермером , подтвердила справедливость гипотезы Л. де Бройля о волновых свойствах частиц.

Опыт Дэвиссона-Джермера.

Проводилось исследование отражения электронов от монокристалла никеля.Установка включала в себя монокристалл никеля, сошлифованный под углом и установленный на держателе. На плоскость шлифа направлялся перпендикулярно пучок монохроматических электронов. Скорость электронов определялась напряжением  на электронной пушке:

Рис. 1. Схема опыта Дэвиссона и Джермера: К — монокристалл никеля; Э — электронная пушка; Ф — цилиндр Фарадея. При вращении кристалла вокруг оси 0 гальванометр, подключённый к цилиндру Фарадея, регистрирует дифракционные максимумы.

Под углом  к падающему пучку электронов устанавливался цилиндр Фарадея, соединённый с чувствительным гальванометром. По показаниям гальванометра определялась интенсивность отражённого от кристалла электронного пучка. Вся установка находилась в вакууме.

В опытах измерялась интенсивность рассеянного кристаллом электронного пучка в зависимости от угла рассеяния  от азимутального угла , от скорости  электронов в пучке.

Для электронов с энергией от десятков до сотен эВ  того же порядка, что и длина волны рентгеновского излучения, такие электроны наз. медленными. Электронам с энергией в несколько десятков кэВ соответствуют длины волн -излучения (десятые доли нм). Электроны таких (и выше) энергий наз. быстрыми. Электронам с энергией 100-150 эВ соответствуют значения  порядка размеров атомов или межатомных расстояний в кристаллах. Такие медленные электроны с энергией около 100 эВ и использовали Дэвиссон и Джермер в своих экспериментах. Тонкий пучок электронов падал на грань (111) монокристалла никеля нормально к её поверхности (рис. 1). Распределение рассеянных электронов регистрировалось в опыте под разными углами  с помощью гальванометра, подключённого к цилиндру Фарадея. При этом были зафиксированы чёткие максимумы (рис. 2), положение которых соответствовало условию:

где а -межатомное расстояние в Ni (111), полученное ранее с помощью рентгенографических исследований, а значение  вычислялось по формуле (2). Вскоре после опытов Дэвиссона и Джермера Дж. П. Томсон (и независимо П. С. Тартаковский) осуществил дифракцию быстрых электронов.

Таким образом наблюдалась дифракция электронов на кристаллической решётке монокристала. Опыт явился блестящим подтверждением существования у микрочастиц волновых свойств.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи не только потоку большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. российскому физику В. А. Фабриканту (р. 1907). Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других (промежуток времени между двумя электронами в 104 раз больше времени прохождения электроном прибора), возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов, в десятки миллионов раз более интенсивных. Следовательно, волновые свойства частиц не являются свойством их коллектива, а присущи каждой частице в отдельности. Впоследствии дифракционные явления обнаружили также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать движение микрочастиц в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля. Открытие волновых свойств микрочастиц привело к появлению и развитию новых методов исследования структуры веществ, таких, как электронография и нейтронография, а также к возникновению новой отрасли науки — электронной оптики.

Рис. 2. Дифракционная картина, полученная в опыте Дэвиссона и Джермера при различных углах  поворота кристалла для двух ускоряющих напряжении V, двух значений угла , определяющих положение гальванометра. В скобках указаны индексы кристаллографических плоскостей, на которых наблюдалась дифракция.

Наряду с двухмерной дифракцией электронов (рассеянием на поверхности кристалла) в опытах Дэвиссона и Джермера были зафиксированы и максимумы, отвечающие трёхмерной дифракции, которую обычно рассматривают как отражение первичного пучка электронов от системы параллельных атомных плоскостей. В этом случае дифракц. максимумы появляются в направлениях, отвечающих Брэгга — Вульфа условию:

где d — межплоскостное расстояние, а — угол, под к-рым наблюдается дифракц. максимум. Анализ положения соответствующих максимумов показал, что условие (4) выполняется не совсем точно. Это объясняется существованием внутрикристаллич. поля, под влиянием к-рого энергия электронов и, следовательно, длина волны , с к-рой электроны входят в кристалл, несколько изменяются, т. е. на поверхности кристалла электронная волна испытывает преломление, причём показатель преломления  определяется ср. потенциалом Ф0 внутрикристаллич. поля:

Обычно Ф0~10-20 В и для быстрых электронов п лишь немного больше единицы: при Ф0=20 В и E=100 кВ n=1+10-4. Однако для медленных электронов п может быть заметно больше единицы.

Опыт Томсона–Тартаковского по дифракции электронов

Другой опыт, подтвердивший волновые свойства материальных частиц, был проведен в 1928 году Джорджем Паджетом Томсоном (1892–1975), а также независимо за год до него Петром Савичем Тартаковским (1895–1940). В нем использовалась еще одна техника, развитая прежде в рентгеноструктурном анализе, а именно, метод Дебая–Шерера. В этом методе используется уже поликристаллическая пластинка L, через которую пропускают электронный пучок высокой энергии и затем наблюдают дифракционную картину на стоящей за поликристаллом фотопластинке P (см. рис. ниже). В отличие от монокристалла, использовавшегося в эксперименте Дэвиссона–Джермера, поликристалл состоит из маленьких кристалликов, внутри которых имеет место строгий порядок; сами же кристаллики расположены беспорядочно друг по отношению к другу.

Если бы не было дифракционных эффектов, кристаллики рассеивали бы свет во всех стороны. Однако, условие Брэгга–Вульфа (см. предыдущий вопрос) говорит, что отражение электронного пучка от грани кристаллика происходит тогда, когда угол  между падающим пучком и нормали к отражающей грани удовлетворяет соотношению:

Угол, на который в результате рассеивается падающий пучок, составляет . В итоге множеством всевозможно ориентированных кристалликов падающий пучок рассеивается в несколько конусов с углами раствора

При этом дифракционная картина имеет вид концентрических окружностей (см. рис.). Данное явление было хорошо изучено в случае рентгеновского излучения, а Томсон и Тартаковский исследовали случай пучка электронов.

Томсон использовал электроны гораздо более высоких энергий, чем Дэвиссон и Джермер, чтобы на пластинке уместилось хотя бы несколько дифракционных кругов и чтобы заметная часть пучка прошла через поликристалл (для электронов низких энергий он становится практически непрозрачным). Действительно, даже для электронов с энергией, равной десяткам кЭв, поликристаллическая пластинка подбиралась очень тонкой — всего лишь десятые и сотые доли микрометра! Это в десятки-сотни раз меньше длины волны видимого света. Монохроматический пучок таких электронов обладал длиной волны менее ангстрема, благодаря чему наблюдалась желаемая дифракция. Далее, аналогично опыту Дэвиссона–Джермера, исследовалась зависимость длины волны электрона от их кинетической энергии. Кроме того, полученное из измерения радиусов дифракционных колец расстояние  между кристаллическими плоскостями частиц поликристалла сравнивалось с результатами опытов с рентгеновскими лучами. Результаты совпали, что говорило в пользу единства свойств пучка электронов и электромагнитной волны высокой частоты.

Список используемой литературы:

1)  Т. И. Трофимова. Курс физики.

2)  Пинскер 3. Г., Дифракция электронов

3) http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1079.html