Рис. 163. Электронный пучок от источника приходит к приёмнику ослабленным за счёт рассеяния электронов атомами газа.
Теоретически, с уменьшением скорости и энергии частиц, степень их рассеяния атомами, определяемая через эффективное сечение рассеяния σ, должна монотонно нарастать. Точно так же, быстро мчащийся автомобиль или снаряд, влетающий в полосу препятствий, отклоняется от прямого пути, «рассеивается» тем раньше и сильнее, чем меньше его начальная скорость.
Но в опыте такая картина, — рост рассеяния с падением скорости, — наблюдается только до определённого значения E1 энергии электронов (Рис. 164). С достижением его, дальнейшее снижение скорости приводит уже не к росту, а к спаду рассеяния. Лишь после того, как энергия электронов понизится до следующего характерного значения E0, степень рассеяния снова начнёт расти. Если Резерфорд, в своём известном опыте, сравнивал α-частицы, отбрасываемые назад тонкой золотой фольгой, с винтовочными пулями, отскакивающими от листа бумаги, то медленные электроны, пробивающие слой газа в опыте Рамзауэра, следует, напротив, уподобить лёгким соломинкам, прошивающим толстый лист брони. Действительно, классическая теория долгое время не могла объяснить аномально высокой проницаемости газов — для сравнительно медленных электронов.
Рис. 164. Зависимость сечения рассеяния электронов от их энергии в опыте Рамзауэра.
Но, достаточно было предположить у электрона волновые свойства, как всё становилось на свои места. По квантомеханическим представлениям, рассматривать рассеяние электрона, как частицы, можно лишь до тех пор, пока его импульс выше некоторого значения, пока дебройлевская длина волны электрона мала, — много меньше размеров рассеивающего атома. (Точно так же геометрическая оптика, по сути рассматривающая свет, как поток прямолинейно летящих частиц, — фотонов, применима лишь для оптических систем, значительно превосходящих размерами длины световых волн.) Но, при некоторой, достаточно малой, скорости дебройлевская длина волны электрона (λ=h/p, где h — постоянная Планка, а p — импульс электрона) сравнивается с размерами рассеивающих электроны атомов.
В таком случае, согласно квантовой теории, электроны рассеиваются атомами уже не как частицы, но как волны: происходит дифракция электронных волн на атомах. При дифракции же, как следует из оптических опытов, волны огибают экран, создавая при сложении интерференционные максимумы позади него, в области геометрической тени. Так, например, при освещении круглого экрана в центре его тени, при определённых условиях, появляется светлое пятно (пятно Пуассона). Примерно то же происходит с электронами. При достаточно малой скорости они начинают как бы проходить сквозь атомы, огибать их, что проявляется в уменьшении рассеяния и создании на приёмнике своеобразного электронного пятна Пуассона. (Так же и автомобиль, медленно въезжающий в полосу препятствий, уже не будет в них врезаться, а станет их объезжать, и, потому, несмотря на малую скорость, сможет длительное время двигаться в правильном направлении).
Так и получилось, что рассеяние электронов, при убывании их скорости, растёт только до определённого значения их импульса, энергии. Едва скорость электронов уменьшится настолько, что длина их волны станет сопоставима с размерами атомов, рассеяние резко снизится. Этим и объясняется необычный характер графика (Рис. 164), имеющего аномальный провал, — минимум в области низких значений энергии электронов.
Замечательно, что, чем тяжелее используемый инертный газ, тем при меньших скоростях электронов удаётся наблюдать эффект аномального снижения рассеяния. Так, в "Общем курсе физики" [134] для сравнительно лёгкого аргона приводится критическое значение энергии E1= 13 эВ, для более тяжёлого криптона E1 = 11 эВ, а для тяжёлого ксенона E1 = 6 эВ. Снижение E1 объясняют тем, что размер атомов инертных газов постепенно растёт с увеличением их атомного номера, при переходе от He к Xe (Таблица 11: радиусы по статье «Инертные газы» из БСЭ). Поэтому, чем тяжелее газ, тем больше его атомы, и тем больше должна быть дебройлевская длина волны λ электрона, для дифрагирования на них. Тем сильнее нужно снизить скорость электронов для появления аномально низкого рассеяния. Выходит, по зависимости рассеяния электронов атомами можно даже оценивать значения атомных радиусов.