FIZIKATANÍTÁS TÖRTÉNETI LÁTÁSMÓDDAL

Kovács László
BDTF Szombathely

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

Irodalomórán nemcsak mûelemzéseket tanítanak, hanem felolvassák az eredeti verseket, novellákat. Fizikaórán is célszerû a nagy felfedezésekrõl szóló elsõ publikációkat tanulmányozni.

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

Az elsõ publikáció, az eredeti kísérleti eszköz

Davisson és Kunsman 1923. április 11-én érdekes kísérleti eredményeket küldött el a Physical Review szerkesztõségébe. 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 feszültségtõl függõen, de ennek akkor nem tulajdonítottak nagy jelentõséget.

Rutherford az elektronnál közel nyolcezerszer nagyobb tömegû -részecskékkel felfedezte, "kitapogatta" az atommagot. Davissonék úgy gondolták, hogy a kisebb tömegû elektronok adott irányokba történõ erõsebb visszaverõdése a koncentrikus elektronhéjakról ad majd tájékoztatást. Fûtötte õket 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 õ 1923-as, Kunsmannal közös mérési eredményére hivatkozik. A görbéjükön megjelenõ 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 késõbbi ábrájukon utalnak az eszköz tényleges nagyságára: ez a rajz az eredeti méretek 70 %-os kicsinyítésével készült. Érdekes, hogy magáról a csõrõl fotót sehol sem közölnek. Sikerült felkutatnunk a 15-20 eredeti csõ egy, még meglevõ példányát. Ez a csõ jelenleg az AT&T Bell Laboratórium elõcsarnokában levõ 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 mérõberendezés fényképét C.J. Davisson Are electrons Waves? (Hullámok az elektronok?) címû cikkében közli. Ha hallgatóink kézbe is vehetnék az elektrondiffrakciós csõ modelljét, érzékelhetnék, hogy milyen nagy technikai felkészültség kellett ahhoz, hogy megépíthetõ legyen egy ilyen vákuumcsõ. Ennek belsejében ugyanis a csõre merõleges tengely körül, pontosan mérhetõ módon forgatható a galvanométerhez kapcsolt érzékelõ, a kettõs Faraday-kalitka. Ugyanakkor a csõ 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 Egyetemrõl 1927. május 24-én küldték el az elektrondiffrakciós gyûrûk észlelésérõl szóló elsõ írásukat a Nature címû 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 3 · 10^-6 cm vastag celluloidrétegen és fényképészeti filmen rögzítették az elektroninterferenciára utaló koncentrikus köröket. Egy fotót is közöltek. Ezen szabad szemmel csak egy gyûrû látható. Fotométerrel megmérték a lemez feketedését a kör sugara mentén. Így a 13000 V-os felvételen a láthatón belül két további gyûrût 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 merõleges hatszöges, vagy mondhatjuk így is: háromszöges szerkezetû atomsíkokban a legszorosabb az atomok illeszkedése. Ezen síkok távolsága d = 2,03 angström, a 3^1/2 / 3. Próbáljuk meg ellenõrizni a mérési eredményeket a Physical Reviewben közölt táblázat alapján.

Ez a mérési sorozat a felületi rétegrõl visszavert elektronnyalábokat jelenti, itt egyszerû "síkrács" ("plane grating") modellt kell alkalmazni. A maximális erõsítés irányait a  = d  sin 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 = (150/V)^1/2 képlet alapján V-t voltban behelyettesítve -t angströmben kapjuk.  = 2,16 angström. A  = d  sin  összefüggés 85 fokra és 2,15 angström rácsállandóra  = 2,14 értéket ad.

Táblázat

Az {100} lapátló irányban a síkrács rácsállandója 1,24 angström. Ezzel az értékkel  = 1,23. A táblázatban megadott 97,5 V-hoz tartozó elektronhullámhossz  = 1,24.

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