Эксперимент Дэвиссона – Роста

Дэвиссон и Гермер в 1927 году.

Эксперимент Дэвиссона-Гермера — эксперимент Клинтона Дэвиссона и Лестера Гермера , проведенный в 1923–1927 годах в компании Western Electric (позже Bell Labs) . в котором электроны, рассеянные поверхностью кристалла металлического никеля, показали дифракционную картину. Это подтвердило гипотезу корпускулярно-волнового дуализма, выдвинутую Луи де Бройлем в 1924 году, а также волновой подход уравнения Шрёдингера . Это была экспериментальная веха в создании квантовой механики .

История и обзор

Согласно уравнениям 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 о теории корпускулярно-волнового дуализма, в которой выдвинута идея о том, что вся материя демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм фотонов. По мнению де Бройля, как для всей материи, так и для излучения энергия $E$ частицы была связана с частотой связанной с ней волны $\nu$ по соотношению Планка : $$E=h\nu$$ И что импульс частицы $p$ была связана с длиной волны так называемым соотношением де Бройля : $$\lambda ={\frac {h}{p}},$$ где h — постоянная Планка .

Важный вклад в эксперимент Дэвиссона-Гермера был сделан Уолтером М. Эльзассером в Геттингене в 1920-х годах, который заметил, что волновая природа материи может быть исследована с помощью экспериментов по рассеянию электронов на кристаллических твердых телах, точно так же, как волновая природа материи может быть исследована с помощью экспериментов по рассеянию электронов на кристаллических твердых телах. Рентгеновские лучи были подтверждены экспериментами по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллических твердых телах .

Это предложение Эльзассера затем было передано его старшим коллегой (впоследствии лауреатом Нобелевской премии) Максом Борном физикам в Англии. Когда был проведен эксперимент Дэвиссона и Гермера, результаты эксперимента были объяснены предположением Эльзассера. Однако первоначальной целью эксперимента Дэвиссона и Гермера было не подтверждение гипотезы де Бройля , а скорее изучение поверхности никеля.

Мемориальная доска Американского физического общества на Манхэттене посвящена эксперименту

В 1927 году в Bell Labs Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер выпустили медленно движущиеся электроны в мишень из кристаллического никеля. Измерена угловая зависимость интенсивности отраженных электронов и было установлено, что картина дифракции аналогична предсказанной Брэггом для рентгеновских лучей; некоторые небольшие, но существенные различия были обусловлены средним потенциалом, который показал Ганс Бете в своем более полном анализе. В то же время Джордж Пэджет Томсон и его ученик Александр Рид независимо продемонстрировали тот же эффект, пропуская электроны через целлулоидные пленки для создания дифракционной картины, а Дэвиссон и Томсон разделили Нобелевскую премию по физике в 1937 году. С тех пор исключение Гермера из числа участников премии озадачивает физиков. Эксперимент Дэвиссона-Гермера подтвердил гипотезу де Бройля о волновом поведении материи. Это, в сочетании с эффектом Комптона , открытым Артуром Комптоном (лауреатом Нобелевской премии по физике в 1927 году), установил гипотезу корпускулярно-волнового дуализма, ставшую фундаментальным шагом в квантовой теории.

Ранние эксперименты

Дэвиссон начал работу в 1921 году по изучению электронной бомбардировки и эмиссии вторичных электронов. Серия экспериментов продолжалась до 1925 года.

До 1923 года Дэвиссон работал с Чарльзом Х. Кунсманом над обнаружением воздействия электронной бомбардировки вольфрама, когда они заметили, что 1% электронов отскакивают прямо обратно в электронную пушку при упругом рассеянии. Этот небольшой, но неожиданный результат побудил Дэвиссона предположить, что он может исследовать электронную конфигурацию атома аналогично тому, как резерфордовское рассеяние альфа-частиц исследовало ядро. Они перешли на высокий вакуум и использовали никель вместе с другими металлами, но результаты оказались не впечатляющими.

Экспериментальная установка

В октябре 1924 года, когда Гермер присоединился к эксперименту, фактической целью Дэвиссона было изучить поверхность куска никеля, направляя на поверхность луч электронов и наблюдая, сколько электронов отскакивает под разными углами. Они ожидали, что из-за малого размера электронов даже самая гладкая поверхность кристалла будет слишком шероховатой и, следовательно, электронный луч будет испытывать рассеянное отражение.

Эксперимент заключался в стрельбе электронным лучом (из электронной пушки , электростатического ускорителя частиц ) по кристаллу никеля, перпендикулярному поверхности кристалла, и измерению того, как количество отраженных электронов менялось в зависимости от угла между детектором и никелем. поверхность разнообразная. Электронная пушка представляла собой нагретую вольфрамовую нить, которая выпускала термически возбужденные электроны, которые затем ускорялись за счет разности электрических потенциалов, придавая им определенное количество кинетической энергии, по направлению к кристаллу никеля. Чтобы избежать столкновений электронов с другими атомами на пути к поверхности, эксперимент проводился в вакуумной камере. Для измерения количества электронов, рассеянных под разными углами, использовался детектор электронов в форме чашки Фарадея , который можно было перемещать по дуговой траектории вокруг кристалла. Детектор был спроектирован так, чтобы принимать только упруго рассеянные электроны .

В ходе эксперимента в камеру случайно попал воздух, образовавший на поверхности никеля оксидную пленку. Чтобы удалить оксид, Дэвиссон и Гермер нагрели образец в высокотемпературной печи, не зная, что это привело к тому, что ранее поликристаллическая структура никеля образовала большие монокристаллические области с кристаллическими плоскостями, непрерывными по ширине электронного луча.

Когда они снова начали эксперимент и электроны ударились о поверхность, они были рассеяны атомами никеля в кристаллических плоскостях (поэтому атомы располагались равномерно) кристалла. В 1925 году это привело к образованию дифракционной картины с неожиданными и некоррелированными пиками из-за нагрева, создавшего десятигранную область кристалла. Они изменили эксперимент на монокристалл и начали заново.

Прорыв

Во время своего второго медового месяца Дэвиссон посетил Оксфордскую встречу Британской ассоциации содействия развитию науки летом 1926 года. На этой встрече он узнал о последних достижениях в области квантовой механики. К удивлению Дэвиссона, Макс Борн прочитал лекцию, в которой использовались некоррелированные дифракционные кривые из исследования Дэвиссона платины с Кунсманом в 1923 году. использование данных в качестве подтверждения гипотезы де Бройля, о которой Дэвиссон не знал.

Затем Дэвиссон узнал, что в предыдущие годы другие ученые – Уолтер Эльзассер, Э. Г. Даймонд и Блэкетт, Джеймс Чедвик и Чарльз Эллис – пытались провести подобные эксперименты по дифракции, но не смогли создать достаточно низкий вакуум или обнаружить необходимые лучи низкой интенсивности.

Вернувшись в Соединенные Штаты, Дэвиссон внес изменения в конструкцию трубки и установку детектора, добавив помимо широты азимут. Следующие эксперименты показали сильный пик сигнала при напряжении 65 В и угле θ = 45° . заметку Он опубликовал в журнале Nature под названием «Рассеяние электронов монокристаллом никеля».

График зависимости электрического тока от угла азимута электронного луча из статьи 1927 года «Рассеяние электронов монокристаллом никеля». . Наличие пиков и впадин соответствует картине дифракции и предполагает волновую природу электронов.

На вопросы все еще нужно было ответить, и эксперименты продолжались до 1927 года, потому что Дэвиссон был теперь знаком с формулой де Бройля и разработал тест, чтобы увидеть, можно ли различить какой-либо эффект при изменении длины волны электронов. $\lambda$, согласно соотношению де Бройля, $\lambda =h/(2mE)^{1/2}$ они знали, что пик должен составлять 78 В, а не 65 В, как показано в их статье. Из-за того, что они не коррелировали с формулой де Бройля, в их статье был введен специальный коэффициент сжатия 0,7, который, однако, мог объяснить только восемь из тринадцати лучей.

Варьируя приложенное к электронной пушке напряжение, находили максимальную интенсивность дифрагированных на поверхности атома электронов под разными углами. Наибольшая интенсивность наблюдалась под углом θ = 50° при напряжении 54 В, что давало электронам кинетическую энергию 54 эВ .

Как доказал Макс фон Лауэ в 1912 году, периодическая кристаллическая структура представляет собой разновидность трехмерной дифракционной решетки. Углы максимального отражения определяются условием Брэгга для конструктивной интерференции со стороны решетки, законом Брэгга. $$n\lambda =2d\sin \left(90^{\circ }-{\frac {\theta }{2}}\right),$$ для n = 1 , θ = 50° и для расстояния между кристаллическими плоскостями никеля ( d = 0,091 нм ), полученного из предыдущих по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллическом никеле. экспериментов

Согласно соотношению де Бройля, электроны с кинетической энергией 54 эВ имеют длину волны 0,167 нм . Результат эксперимента составил 0,165 нм по закону Брэгга , что близко соответствовало предсказаниям. Как заявляют Дэвиссон и Гермер в своей статье 1928 года, продолжающей работу, получившую Нобелевскую премию: «Эти результаты, включая неспособность данных удовлетворить формулу Брэгга, согласуются с результатами, полученными ранее в наших экспериментах по дифракции электронов. данные по отражению не удовлетворяют соотношению Брэгга по той же причине, по которой пучки дифракции электронов не совпадают со своими аналогами пучков Лауэ». Однако они добавляют: «Рассчитанные длины волн прекрасно согласуются с теоретическими значениями h/mv, как показано в прилагаемой таблице». Таким образом, хотя дифракция энергии электронов не подчиняется закону Брэгга, она подтверждает теорию де Бройля о том, что частицы ведут себя как волны. Полное объяснение было предоставлено Гансом Бете , решившим уравнение Шрёдингера. для случая дифракции электронов.

Случайное открытие Дэвиссоном и Гермером дифракции электронов стало первым прямым свидетельством, подтверждающим гипотезу де Бройля о том, что частицы также могут обладать волновыми свойствами.

Внимание Дэвиссона к деталям, его ресурсы для проведения фундаментальных исследований, опыт коллег и удача – все это способствовало успеху эксперимента.

Практическое применение

Основная статья: Дифракция электронов

В конкретном подходе, использованном Дэвиссоном и Гермером, использовались электроны низкой энергии, то, что сейчас называется дифракцией низкоэнергетических электронов (LEED). Лишь намного позже были разработаны экспериментальные методы, использующие технологии сверхвысокого вакуума (например, подход, описанный Альпертом в 1953 г.). ) позволил широко использовать дифракцию LEED для исследования поверхностей кристаллизованных элементов и расстояния между атомами. Методы, в которых электроны более высоких энергий используются для дифракции различными способами, были разработаны гораздо раньше.

Внешние ссылки

• Р. Нейв. «Эксперимент Дэвиссона-Гермера» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии , физический факультет.