Эврики и эйфории. Об ученых и их открытиях

Критерием того, что мы имеем дело с волной, считается интерференция: если встречаются две волны, их общая интенсивность усиливается, когда максимумы накладываются друг на друга; и наоборот, они взаимно уничтожаются, если максимум одной совпадает с минимумом другой. Волны, отраженные от регулярной решетки, образованной объектами, которые разделяет дистанция порядка длины волны, образуют таю называемую дифракционную картину. На этом основана рентгеновская кристаллография, которая, исходя из дифракционной картины рентгеновских лучей, рассеянных на регулярной решетке атомов в кристалле, позволяет восстановить точное положение этих атомов в трехмерном пространстве. Волновую природу электронов доказал, более или менее случайно, Дж. П. Томсон (сын знаменитого “Джи-Джи”). Помимо Томсона, то же самое решили проделать — благодаря счастливому озарению — Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер, сотрудники нью-йоркской компании Western Electric.

Western Electric(позже компания Bell)погрязла в долгой и недешевой тяжбе с General Electricпо поводу патента на вакуумную лампу. Western Electricприобрела патент у изобретателя Ли де Фореста, — предполагалось, что лампа пригодится для улучшения качества телефонной связи на больших расстояниях. Вопрос состоял в том, отличается ли существенным образом лампа Ли де Фореста от конструкции Ирвинга Ленгмюра, правами на которую владела General Electric,наша лампа, заявляли тамошние специалисты, настоящая вакуумная лампа, тогда как для работы лампы де Фореста требуется присутствие небольшого количества воздуха внутри. Дэвиссону поручили изучить, в соответствии с патентом, излучение электронов с горячей металлической мишени внутри вакуумной лампы при попадании туда пучка положительно заряженных частиц; однако прежде чем этим заняться, он наткнулся на новое явление. Если внести небольшие изменения, понял он, лампу можно использовать для бомбардировки мишени электронами, что, как было известно, вызывает испускание вторичных электронов со значительно меньшей энергией. И Дэвиссон обнаружил, что когда трубка работает в таком режиме, удается зарегистрировать также небольшое количество высокоэнергетических электронов, летящих от мишени назад. Это, осознал он, небольшая часть исходных электронов, отраженных мишенью.

При этом Дэвиссон помнил про эксперименты Резерфорда с альфа-частицами, которым физики обязаны столь удивительными знаниями об устройстве атома: когда альфа-частицами обстреливали тонкую металлическую фольгу, большая часть этих частиц проходила насквозь, а те немногие, которые врезались в ядра, отражались в точности обратно. Дэвиссона заинтересовало, несут ли отраженные электроны новую информацию о внутренних энергетических уровнях атомов мишени, и он убедил своих работодателей позволить ему изучить этот вопрос. Исследовать он собирался отражение электронов разными металлами.

Откровение явилось в 1925 году. Дэвиссон с ассистентом Джермером занимались своими экспериментами по электронной бомбардировке, и тут в лаборатории неожиданно взорвался сосуд с жидким воздухом. Взрыв разнес все вокруг, включая и их вакуумную лампу. Покрытие горячей мишени, сделанное из кристаллического никеля, оказалось на воздухе и вскоре покрылось пленкой оксида никеля. Дэвиссон и Джермер восстановили свою лампу, не меняя мишени, которую они, правда, прокалили в вакууме, чтобы избавиться от оксидного слоя, и снова приступили к своим опытам. Однако, когда они взялись анализировать распределение отраженных электронов в пространстве, результат был совершенно иным и довольно неожиданным: интенсивность потока отраженных электронов имела ярко выраженные максимумы под строго определенными углами относительно мишени. Озадаченные исследователи сломали трубку и принялись изучать ее поверхность. Прокаливание, как оказалось, превратило микроскопические кристаллы никеля в большие кристаллические пластинки. Электроны, отраженные кристаллической решеткой никеля, интерферировали, как положено волнам. Чтобы окончательно понять, что означают полученные результаты, Дэвиссону пришлось съездить на ежегодное собрание Британской ассоциации развития науки. Перед конференцией Дэвиссон уехал с женой в отпуск, и потому слегка опоздал к началу заседаний. Как же он был изумлен, услышав от одного из докладчиков, Макса Борна, рассказ про свои опыты с пластиной, которые тот приводил как доказательство существования электронных волн. Плывя на корабле домой, Дэвиссон размышлял о новой теории — волновой механике. Вернувшись в лабораторию, он и Джермер приступили к поискам пиков интенсивности там, где их предсказывала теория, и, наконец, после долгой работы, нашли их.