Дифракция электронов

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОНОВ, упругое рассеяние пучка электронов атомами и/или молекулами вещества, при котором из первичного пучка образуются отклонённые на определённые углы пучки электронов (так называемые дифракционные пучки). Число таких пучков, их интенсивность и углы отклонения от направления распространения первичного пучка определяются структурой рассеивающего объекта (кристалла, жидкости или газа). Дифракция  электронов, открытая в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером, явилась подтверждением гипотезы Л. де Бройля о волновых свойствах частиц.

Для создания первичного электронного пучка электроны ускоряют электрическим полем, в котором электрон с зарядом е и массой m приобретает энергию еЕ (Е - пройденная им разность потенциалов), которая равна кинетической энергии mv²/2 электрона, ускоренного полем. Следовательно, скорость электрона v = (2еЕ/m)^1/2. Длина волны де Бройля электрона λ = h/mv (h - постоянная Планка), то есть определяется его скоростью v или энергией еЕ. При энергиях от десятков до сотен эВ длина волны электрона попадает в рентгеновский диапазон длин волн; такие электроны называются медленными. Электронам с энергией в десятки кэВ соответствуют длины волн гамма-диапазона; электроны таких и более высоких энергий называются быстрыми, для них становятся существенными релятивистские поправки в зависимости λ от Е.

В опыте Дэвиссона и Джермера узкий пучок электронов падал на поверхность монокристалла никеля перпендикулярно одной из его кристаллографических плоскостей (рис.). Распределение рассеянных электронов регистрировалось с помощью гальванометра, подключённого к цилиндру Фарадея (прибору, в который попадают провзаимодействовавшие с веществом электроны). Под определёнными углами θ наблюдались максимумы интенсивности (дифракционные максимумы); их положение отвечало условию Брэгга - Вульфа (выведенному ранее  для  рентгеновского  излучения); 2dsinθ=nλ, где d - межплоскостное расстояние в никеле, n - целое положительное число, называемое порядком дифракции.

Теория дифракции электронов аналогична теории дифракции рентгеновских лучей. Однако в отличие от рентгеновского излучения, которое рассеивается на электронной плотности атомов, электроны, обладающие электрическим зарядом, взаимодействуют с электростатическим полем атома, вклад в которое вносят как электроны атома, так и его положительно заряженное ядро. Рассеивающая способность атома зависит от его строения и различна для атомов разных химических элементов. Она характеризуется атомной амплитудой рассеяния, пропорциональной атомному номеру элемента и быстро падающей с увеличением θ. Интенсивность дифракционных пучков электронов пропорциональна квадрату атомной амплитуды рассеяния, т. е. также содержит  информацию о рассеивающем атоме. Электроны взаимодействуют с атомами в миллионы раз сильнее, чем рентгеновское излучение; интенсивность дифракционных пучков электронов превышает на 6-7 порядков интенсивность рентгеновских дифракционных максимумов.

На использовании явления дифракции электронов основан один из методов структурного анализа вещества - электронография, которая исследует структуру кристаллов, газов, жидкостей, аморфных тел и биологических объектов. Симметрия дифракционной картины (электронограммы) содержит информацию о типе кристаллической решётки; анализ интенсивности дифракционных максимумов позволяет получить более полную информацию о составе и строении кристалла. Дифракцию быстрых электронов (с энергией порядка 10⁴-10⁶ эВ) используют в просвечивающей электронной микроскопии, позволяющей анализировать структуру веществ вплоть до атомных масштабов. Дифракция медленных электронов применяется для изучения структуры приповерхностных слоёв твёрдых тел, адсорбированных слоёв, начальных стадий окисления, эпитаксии, реконструкции поверхности полупроводников с образованием сверхструктур.

Дифракция  электронов внутри самого кристалла изменяет характер неупругих процессов. Анализ зависимости вероятности этих процессов от энергии электронов и угла падения их пучка на кристалл лежит в основе электронной спектроскопии.

Лит.: Пинскер З. Г. Дифракция электронов. М.; Л., 1949; Каули Дж. Физика дифракции. М., 1979.