Эксперимент Дэвиссон-Гермер был 1923-27 эксперимент Дэвиссон и Джермер на Western Electric (позже Bell Labs) , [1] , в которой электроны, рассеянные по поверхности кристалла никеля металла, отображается дифракционную картину. Это подтвердило гипотезу о дуальности волна-частица , выдвинутую Луи де Бройлем в 1924 году, и стало экспериментальной вехой в создании квантовой механики .
История и обзор
В соответствии с уравнениями Максвелла в конце 19 века считалось, что свет состоит из волн электромагнитных полей, а материя - из локализованных частиц. Однако это было оспорено в статье Альберта Эйнштейна 1905 года о фотоэлектрическом эффекте , в которой свет описывался как дискретные и локализованные кванты энергии (теперь называемые фотонами ), что принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1921 году. В 1924 году Луи де Бройль представил его диссертация по теории дуальности волна-частица, в которой была предложена идея о том, что вся материя проявляет дуальность фотонов волна-частица. [2] Согласно де Бройлю, как для всего вещества, так и для излучения энергия частицы была связана с частотой связанной с ней волны соотношением Планка :
И импульс частицы был связан с его длиной волны тем, что теперь известно как соотношение де Бройля :
где h - постоянная Планка .
Важный вклад в эксперимент Дэвиссона-Гермера был сделан Вальтером М. Эльзассером в Геттингене в 1920-х годах, который заметил, что волновую природу материи можно исследовать с помощью экспериментов по рассеянию электронов на кристаллических твердых телах, так же как и волновую природу. рентгеновских лучей были подтверждены экспериментами по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллических твердых телах . [2] [3]
Это предложение Эльзассера было затем передано его старшим коллегой (а позже лауреатом Нобелевской премии) Максом Борном физикам в Англии. Когда был проведен эксперимент Дэвиссона и Гермера, результаты эксперимента были объяснены предложением Эльзассера. Однако первоначальная цель эксперимента Дэвиссона и Гермера заключалась не в подтверждении гипотезы де Бройля , а в изучении поверхности никеля.
В 1927 году в Bell Labs Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер выпустили медленно движущиеся электроны по мишени из кристаллического никеля. Была измерена угловая зависимость интенсивности отраженных электронов, и было определено, что она имеет ту же дифракционную картину, что и предсказанные Брэггом для рентгеновских лучей. В то же время Джордж Пэджет Томсон независимо продемонстрировал тот же эффект, запускающий электроны через металлические пленки для создания дифракционной картины, а Дэвиссон и Томсон разделили Нобелевскую премию по физике в 1937 году. [2] [4] Эксперимент Дэвиссона-Гермера подтвердил де-факто. Гипотеза Бройля о волнообразном поведении материи. Это, в сочетании с эффектом Комптона, обнаруженным Артуром Комптоном (получившим Нобелевскую премию по физике в 1927 г.) [5], установило гипотезу дуальности волна-частица, которая стала фундаментальным шагом в квантовой теории.
Ранние эксперименты
Дэвиссон начал работу в 1921 году по изучению электронной бомбардировки и вторичной электронной эмиссии. Серия экспериментов продолжалась до 1925 года.
Фактическая цель Дэвиссона и Гермера состояла в том, чтобы изучить поверхность куска никеля, направив пучок электронов на поверхность и наблюдая, сколько электронов отскакивает под разными углами. Они ожидали, что из-за небольшого размера электронов даже самая гладкая поверхность кристалла будет слишком шероховатой, и, следовательно, электронный луч будет испытывать диффузное отражение. [6]
Эксперимент состоял из запуска электронного луча (из электронной пушки , электростатического ускорителя частиц ) на кристалл никеля, перпендикулярного поверхности кристалла, и измерения того, как количество отраженных электронов изменяется как угол между детектором и никелем. поверхность разнообразная. Электронная пушка представляла собой нагретую вольфрамовую нить, которая выпускала термически возбужденные электроны, которые затем ускорялись через разность электрических потенциалов, давая им определенное количество кинетической энергии по направлению к кристаллу никеля. Чтобы избежать столкновений электронов с другими атомами на их пути к поверхности, эксперимент проводился в вакуумной камере. Для измерения количества электронов, рассеянных под разными углами, использовался электронный детектор в виде чашки Фарадея , который можно было перемещать по дуге вокруг кристалла. Детектор был разработан для приема только упруго рассеянных электронов .
Во время эксперимента в камеру случайно попал воздух, образовав оксидную пленку на поверхности никеля. Чтобы удалить оксид, Дэвиссон и Гермер нагрели образец в высокотемпературной печи, не зная, что это привело к образованию ранее поликристаллической структуры никеля с образованием больших монокристаллических областей с кристаллическими плоскостями, непрерывными по ширине электронного луча. [6]
Когда они снова начали эксперимент и электроны ударялись о поверхность, они были рассеяны атомами никеля в кристаллических плоскостях (так что атомы были равномерно распределены) кристалла. Это в 1925 году привело к появлению дифракционной картины с неожиданными пиками.
Прорвать
В перерыве Дэвиссон посетил оксфордское собрание Британской ассоциации развития науки летом 1926 года. На этой встрече он узнал о последних достижениях квантовой механики. К удивлению Дэвиссона, Макс Борн прочитал лекцию, в которой использовал дифракционные кривые из исследования Дэвиссона 1923 года, которое он опубликовал в журнале Science в том же году, используя полученные данные в качестве подтверждения гипотезы де Бройля. [7]
Он узнал, что в предыдущие годы другие ученые - Уолтер Эльзассер, Э. Г. Даймонд и Блэкетт, Джеймс Чедвик и Чарльз Эллис - пытались провести аналогичные дифракционные эксперименты, но не смогли создать достаточно низкий вакуум или обнаружить необходимые пучки низкой интенсивности. [7]
Вернувшись в Соединенные Штаты, Дэвиссон внес изменения в конструкцию трубки и крепление детектора, добавив азимут в дополнение к широте. Следующие эксперименты генерировали сильный пик сигнала при 65 В и угле θ = 45 °. Он опубликовал заметку в Nature под названием «Рассеяние электронов на монокристалле никеля». [8]
Вопросы все еще требовали ответа, и эксперименты продолжались до 1927 года. [9]
Путем варьирования приложенного к электронной пушке напряжения была обнаружена максимальная интенсивность электронов, дифрагированных на поверхности атома, под разными углами. Наибольшая интенсивность наблюдалась при угле θ = 50 ° при напряжении 54 В, что давало электронам кинетическую энергию54 эВ . [2]
Как доказал Макс фон Лауэ в 1912 году, периодическая кристаллическая структура служит разновидностью трехмерной дифракционной решетки. Углы максимального отражения задаются условием Брэгга для конструктивного вмешательства от массива, законом Брэгга
для n = 1, θ = 50 ° и для расстояния между кристаллическими плоскостями никеля ( d = 0,091 нм), полученного в предыдущих экспериментах по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллическом никеле. [2]
Согласно соотношению де Бройля электроны с кинетической энергией 54 эВ имеют длину волны0,167 нм . Результат эксперимента был0,165 нм по закону Брэгга , что близко соответствует предсказаниям. Как заявляют Дэвиссон и Гермер в своей последующей статье 1928 года: «Эти результаты, включая неспособность данных удовлетворить формулу Брэгга, согласуются с результатами, полученными ранее в наших экспериментах по дифракции электронов. Данные об отражении не удовлетворяют требованиям Соотношение Брэгга по той же причине, что пучки дифракции электронов не могут совпадать со своими аналогами пучков Лауэ ». [1] Однако они добавляют: «Расчетные длины волн превосходно согласуются с теоретическими значениями h / mv, как показано в прилагаемой таблице». [1] Таким образом, хотя дифракция энергии электронов не следует закону Брэгга, она подтвердила уравнение де Бройля.
Случайное открытие Дэвиссоном и Гермером дифракции электронов было первым прямым доказательством, подтверждающим гипотезу де Бройля о том, что частицы также могут иметь волновые свойства.
Внимание Дэвиссона к деталям, его ресурсы для проведения фундаментальных исследований, опыт коллег и удача - все это способствовало успеху эксперимента.
Практическое применение
Лишь в 1960-х годах вакуумные лампы стали достаточно надежными и доступными для расширения техники дифракции электронов, но с того времени ученые использовали дифракцию LEED для исследования поверхностей кристаллизованных элементов и расстояния между атомами. [ необходима цитата ]
Рекомендации
- ^ а б в Дэвиссон, CJ; Гермер, LH (1928). «Отражение электронов кристаллом никеля» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 14 (4): 317–322. Полномочный код : 1928PNAS ... 14..317D . DOI : 10.1073 / pnas.14.4.317 . PMC 1085484 . PMID 16587341 .
- ^ а б в г д Eisberg, R .; Резник, Р. (1985). «Глава 3 - Постулат де Бройля - Волнообразные свойства частиц» . Квантовая физика: атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (2-е изд.). Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-87373-0.
- ^ Рубин, Х. (1995). "Вальтер М. Эльзассер" . Биографические воспоминания . 68 . Национальная академия прессы . ISBN 978-0-309-05239-9.
- ^ Дэвиссон, Клинтон Джозеф; Томсон, Джордж Пэджет (1937). «Клинтон Джозеф Дэвиссон и Джордж Пэджет Томсон за их экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах» . Нобелевский фонд.
- ^ Нобелевский фонд (Артур Холли Комптон и Чарльз Томсон Рис Уилсон) (1937). «Артуру Холли Комптону за открытие эффекта, названному в его честь, и Чарльзу Томсону Ризу Уилсону за его метод визуализации путей электрически заряженных частиц путем конденсации пара» . Нобелевский фонд 1927 .
- ^ a b Янг, Хью Д. и Фридман, Роджер А. (2004) University Physics, Ed. 11. Pearson Education, Эддисон-Уэсли, Сан-Франциско, ISBN 0-321-20469-7 , стр. 1493–1494.
- ^ а б Геренбек, Ричард К. (1978). «Электронная дифракция: пятьдесят лет назад» (PDF) . Физика сегодня . 31 (1): 34–41. Bibcode : 1978PhT .... 31a..34G . DOI : 10.1063 / 1.3001830 .
- ^ Davisson, C .; Гермер, LH (1927). «Рассеяние электронов на монокристалле никеля». Природа . 119 (2998): 558. Bibcode : 1927Natur.119..558D . DOI : 10.1038 / 119558a0 . S2CID 4104602 .
- ^ http://hermes.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Davisson_Germer_1927.pdf
Внешние ссылки
- R. Nave. «Эксперимент Дэвиссона – Гермера» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии , факультет физики.