100 великих научных открытий

Уже через год американские физики Клинтон Дэвиссон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1971) поставили опыт, подтвердивший теорию Бройля. Ученые направили на кристалл никеля электронный поток, и тот, пройдя сквозь кристаллическую решетку, отобразился на экране черно-белыми концентрическими кругами с ярким пятном посередине. То есть показал такую же дифракционную картину, какую дают коротковолновые электромагнитные икс-лучи, проходя сквозь кристалл, да и просто обычный пучок света, прошедший через дифракционную решетку — пластину с узкими продольными щелями. Измерив радиусы самых ярких и широких кругов, исследователи смогли определить длину волны электронов — и убедились, что тот же результат получается в уравнении Бройля.

Через год аналогичный опыт поставил сын британского физика Джозефа Томсона, открывшего электрон, — Джордж Паджет Томсон (1892–1975). Правда, вместо никеля он использовал тонкую фольгу, состоящую из крошечных кристалликов золота, однако результат получил тот самый, какого добились его американские коллеги.

Впоследствии данный эксперимент проводили разные ученые, немного меняя условия — например, выпуская электроны под очень слабым напряжением. В таком вялом потоке частицы проходили сквозь решетку по одной, но все равно образовывали дифракционные круги. Так, при стовольтном напряжении, вполне нормальном для наших домашних электросетей, электроны двигались абсолютно неэнергично — в покое их энергия была бы в 5000 раз выше! — а их волны достигали диаметра атома. Но и такие электроны умудрялись рассеиваться на решетке кристалла, словно полноценные электромагнитные волны, а затем реагировали с отдельными атомами светочувствительной пластины и точечно затемняли ее, как делают все частицы.

Кроме того, эксперименты с рассеянием электронов показали, что у элементарных частиц волновая и корпускулярная модели поведения никогда не «включаются» в одно и то же время — только поочередно, словно дополняя одна другую. Это определил датский физик Нильс Бор (1885–1962), уточнив, что перемещаться в пространстве частицы склонны волнами, а когда дело доходит до передачи/приема энергии, то они сразу же переключаются на режим частиц. Самые выразительные дифракционные круги создаются наиболее мощными волнами, а значит, именно в эти места экрана врезается больше всего электронов. Но вот куда именно попадет частица после прохождения сквозь решетку, точно сказать не получится. Можно только предположить — выстроить ряд более или менее вероятных координат. Отсутствие определенности — это главный принцип квантовой механики.

Если провести умозрительный эксперимент, в процессе которого поток электронов пропускается через две щели решетки, мы не сможем уверенно указать отверстие, в которое входит та или другая частица. Разумеется, растянутые в пространстве волны могут проникнуть сразу через обе щели, но разве способна на такое маленькая частичка (шарик — в нашем представлении)? Оказывается, способна! Так же как фотон — частица-порция светового излучения. Хотя мы видим, что электромагнитная волна проходит в оба отверстия, определить путь каждого ее фотона нереально. Между тем даже единичный квант света, пройдя через пластину с отверстиями, покажет на экране полосы интерференции. Получается, фотон, подобно волне, накладывается сам на себя и усиливает собственную амплитуду. Аналогично проскальзывает в обе щели и электрон, как бы ни было сложно это представить, — и на экране появляются полосы.

Позже в экспериментах участвовали пучки атомов и молекул, протоны, нейтроны и прочие частицы — и каждый раз ученые видели на экране дифракционные круги, что подтверждало: все «подопытные» наполовину волны. Теория Бройля о двойственной природе микрообъектов была доказана, и это перевернуло привычную картину мира с ног на голову.

Планетарная модель атома

О том, что атом по своему устройству похож на Солнечную систему, первым догадался британский ученый Эрнест Резерфорд (1871–1937). В 1909 г. два физика — немец Ганс Гейгер и новозеландец Эрнест Марсден — под руководством Резерфорда направили поток альфа-частиц (гелиевых ядер, состоящих из двух протонов и двух нейтронов) на фольгу и обнаружили, что не все частицы прошли сквозь металл — некоторые отскочили. Поразмыслив, почему так произошло, Резерфорд нашел такое объяснение: вероятно, ядра гелия натыкались на ядра атомов металла, а поскольку заряд у ядер всегда положительный, при встрече они отталкиваются. Данная гипотеза вдохновила ученого разработать модель атома, актуальную и в наши дни.