FIZIKATANÍTÁS TÖRTÉNETI LÁTÁSMÓDDAL

Kovács László
BDTF Szombathely

Tisztelettel köszöntöm Marx György professzoromat, aki mindig figyelemmel kíséri tevékenységemet.

Irodalomórán nemcsak műelemzéseket tanítanak, hanem felolvassák az eredeti verseket, novellákat. Fizikaórán is célszerű a nagy felfedezésekről szóló első publikációkat tanulmányozni.

Az elektrondiffrakció példáján megmutatjuk, hogy a korabeli közlésekben leírt eredeti kísérleti eszközök megismerése és az első mérési eredmények felhasználása segítheti az érzelmi ráhangolást, az érdeklődés felkeltését, a megértést és az ismeretanyag rögzítését.

Az első publikáció, az eredeti kísérleti eszköz

Davisson és Kunsman 1923. április 11-én érdekes kísérleti eredményeket küldött el a Physical Review szerkesztőségébe. Írásuk a folyóirat szeptemberi számában jelent meg. Platinát bombáztak elektronokkal.

Bizonyos meghatározott irányokban sokkal több szóródott elektront észleltek, mint más irányokban. A szórási görbének voltak maximumhelyei. Ezek kicsit változtak a gyorsító feszültségtől függően, de ennek akkor nem tulajdonítottak nagy jelentőséget.

Rutherford az elektronnál közel nyolcezerszer nagyobb tömegű -részecskékkel felfedezte, "kitapogatta" az atommagot. Davissonék úgy gondolták, hogy a kisebb tömegű elektronok adott irányokba történő erősebb visszaverődése a koncentrikus elektronhéjakról ad majd tájékoztatást. Fűtötte őket a becsvágy, dolgoztak szakadatlanul, hogy feltérképezzék az elektronhéjak szerkezetét.

Davisson 1926 nyarán részt vett Angliában egy fizikuskonferencián (Meeting of the British Association , for Advancement of Science), ahol nagy meglepetéssel hallotta, hogy Max Born az ő 1923-as, Kunsmannal közös mérési eredményére hivatkozik. A görbéjükön megjelenő maximumokat az 1923-ban feltételezett de Broglie-féle elektronhullámok létezésének bizonyítékaiként említette. - Hasonlóképpen Walter Elsasser már korábban, 1925-ben hivatkozott Germer és Kunsman 1923-as méréseire (Die Naturwissenschaften 13. évf. 1925. augusztus 14., 711. oldal).

Itt látszik a tudósok közötti közvetlen eszmecsere, a konferenciák haszna. A kutató nem olvashat el minden fontos tudományos cikket, hisz sok esetben nem is gondolhatja, hogy az számára esetleg hasznos lehet. Az elektroninterferencia tudatos kimutatásáról Davisson és Germer részletesen 1927 decemberében írt. Az itt ismertetett kísérleti berendezésük keresztmetszeti rajzának aláírásánál hangsúlyozzák, hogy az üvegcsövet nem rajzolták be. Egy későbbi ábrájukon utalnak az eszköz tényleges nagyságára: ez a rajz az eredeti méretek 70 %-os kicsinyítésével készült. Érdekes, hogy magáról a csőről fotót sehol sem közölnek. Sikerült felkutatnunk a 15-20 eredeti cső egy, még meglevő példányát. Ez a cső jelenleg az AT&T Bell Laboratórium előcsarnokában levő házi kiállításon látható (Murray Hill, New Jersey, USA). Bemutatták ezt a csövet 1976. és 1978. között a Smithsonian Intézet Történeti és Technológiai Múzeumában Washington, DC-ben. A teljes mérőberendezés fényképét C.J. Davisson Are electrons Waves? (Hullámok az elektronok?) című cikkében közli. Ha hallgatóink kézbe is vehetnék az elektrondiffrakciós cső modelljét, érzékelhetnék, hogy milyen nagy technikai felkészültség kellett ahhoz, hogy megépíthető legyen egy ilyen vákuumcső. Ennek belsejében ugyanis a csőre merőleges tengely körül, pontosan mérhető módon forgatható a galvanométerhez kapcsolt érzékelő, a kettős Faraday-kalitka. Ugyanakkor a cső hosszanti tengelye körül forgatható maga a nikkelkristály is. Mindkét esetben ténylegesen magát a csövet forgatták el, az érzékeny Faraday-kalitka, illetve a kristály egy-egy méréssorozatnál a laboratóriumhoz képest nyugalomban maradt.

G.P. Thomson és A. Reid a skóciai Aberdeen Egyetemről 1927. május 24-én küldték el az elektrondiffrakciós gyűrűk észleléséről szóló első írásukat a Nature című folyóiratnak amely a levelezési rovatban jelent meg június 18-án Diffraction of Cathode Rays by Thin Film (Katódsugarak elhajlása vékony rétegen) címmel.

Thomson és Reid 3900 és 16500 V között gyorsított elektronokat küldtek át 3x10^-6 cm vastag celluloidrétegen és fényképészeti filmen rögzítették az elektroninterferenciára utaló koncentrikus köröket. Egy fotót is közöltek. Ezen szabad szemmel csak egy gyűrű látható. Fotométerrel megmérték a lemez feketedését a kör sugara mentén. Így a 13000 V-os felvételen a láthatón belül két további gyűrűt is észleltek.

A korabeli mérési eredmény

Davisson és Germer méréseinél használt lapcentrált köbös szerkezetben kristályosodó nikkelben a legközelebbi atomok távolsága s = 2,48 angström, az elemi cella kockájának élhossza a:

A [111] irány a testátló irányát jelenti. A testátló irányára merőleges hatszöges, vagy mondhatjuk így is: háromszöges szerkezetű atomsíkokban a legszorosabb az atomok illeszkedése. Ezen síkok távolsága d = 2,03 angström, . Próbáljuk meg ellenőrizni a mérési eredményeket a Physical Reviewben közölt táblázat alapján.

Ez a mérési sorozat a felületi rétegről visszavert elektronnyalábokat jelenti, itt egyszerű "síkrács" ("plane grating") modellt kell alkalmazni. A maximális erősítés irányait a összefüggés adja. értékeire most a táblázatban közölt szögértékeket kell behelyettesítenünk. A síkrács rácsállandója a legközelebbi atomok távolságának a fele, illetve 3^1/2 / 2 -szerese, amint az az eredeti cikk ábrájából is látható. Ez a két távolság a legközelebbi atomokból álló háromszög oldalának fele, illetve a háromszög magassága: 1,24 és 2,15 angström. A 32 V gyorsító feszültséghez a gyakorlatias képlet alapján V-t voltban behelyettesítve angströmben kapjuk. SIZE=-1> angström. A összefüggés 85 fokra és 2,15 angström rácsállandóra értéket ad.

Az [100] lapátló irányban a síkrács rácsállandója 1,24 angström. Ezzel az értékkel . A táblázatban megadott 97,5 V-hoz tartozó elektronhullámhossz .

Ha hallgatóink a táblázatban közölt mind a 16 feszültségértékre elvégzik a fenti számításokat, akkor automatikusan rögzülnek bennük az alkalmazott összefüggések.

Az 1927-es Davisson, Germer-cikk ábrája.

Ezen túlmenően példát kapnak arra, hogy hogyan célszerű egy méréssorozat értéktáblázatát elkészíteni. Végül tisztelet ébredhet a hallgatóban a kutatók iránt, hisz amíg helyettesítik a szög- és feszültség-értékeket, maguk előtt láthatják a nikkel kristályt: a legszorosabb illeszkedésű atomsíkokat, az elemi cella főirányait. Davisson és Germer feszültség-, szög- és árammérés segítségével olyan "mikroszkópot" alkotott, amellyel látni lehet a rácsszerkezetet, és érzékelni lehet az elektron hullámtermészetét.