Эксперимент Дэвиссона-Гермера - Davisson–Germer experiment

В Эксперимент Дэвиссона-Гермера был экспериментом 1923-1927 гг. Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер в Western Electric (позже Bell Labs),^[1] в котором электроны, рассеянные поверхностью кристалла металлического никеля, отображали дифракционную картину. Это подтвердило гипотеза, продвинутый Луи де Бройль в 1924 году, о дуальности волна-частица, и явилась экспериментальной вехой в создании квантовая механика.

История и обзор

В соответствии с Уравнения Максвелла в конце 19 века считалось, что свет состоит из волн электромагнитных полей, а материя - из локализованных частиц. Однако это было оспорено в Альберт Эйнштейн статья 1905 года о фотоэлектрический эффект, который описывал свет как дискретные и локализованные кванты энергии (теперь называемые фотоны ), что принесло ему Нобелевская премия по физике в 1921 г. В 1924 г. Луи де Бройль представил свою диссертацию по теории дуальности волна-частица, которая выдвинула идею о том, что вся материя проявляет дуальность фотонов волна-частица.^[2] Согласно де Бройлю, как для всего вещества, так и для излучения энергия ${\displaystyle E}$ частицы была связана с частотой связанной с ней волны ${\displaystyle \nu }$ посредством Соотношение Планка:

${\displaystyle E=h\nu \,}$

И импульс частицы ${\displaystyle p}$ был связан с его длиной волны тем, что теперь известно как соотношение де Бройля:

${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}},}$

где h Постоянная Планка.

Важный вклад в эксперимент Дэвиссона – Гермера внесли Уолтер М. Эльзассер в Геттингене в 1920-х годах, который заметил, что волновая природа материи может быть исследована эксперименты по рассеянию электронов на кристаллических твердых телах, точно так же, как волновая природа рентгеновских лучей была подтверждена экспериментами по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллические твердые вещества.^[2][3]

Это предложение Эльзассера было затем передано его старшим коллегой (а позже лауреатом Нобелевской премии). Макс Борн физикам в Англии. Когда был проведен эксперимент Дэвиссона и Гермера, результаты эксперимента были объяснены предложением Эльзассера. Однако первоначальная цель эксперимента Дэвиссона и Гермера не состояла в том, чтобы подтвердить гипотеза де Бройля, а лучше изучить поверхность никеля.

Мемориальная доска Американского физического общества на Манхэттене в память об эксперименте

В 1927 г. Bell Labs, Клинтон Дэвиссон и Лестер Гермер запустили медленно движущиеся электроны в мишень 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 продемонстрировали 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 гипотезу де Бройля о волнообразном поведении вещества. Это в сочетании с Эффект Комптона обнаружен Артур Комптон (который получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году),^[5] установил гипотезу дуальности волны и частицы, 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.

Экспериментальная установка

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 в запуске электронного пучка (из электронная пушка, электростатический ускоритель частиц ) на кристалле никеля, перпендикулярном поверхности кристалла, и измерения того, как изменяется количество отраженных электронов при изменении угла между детектором и поверхностью никеля. Электронная пушка представляла собой нагретую вольфрамовую нить, которая выпускала термически возбужденные электроны, которые затем ускорялись за счет разности электрических потенциалов, давая им определенное количество кинетической энергии по направлению к кристаллу никеля. Чтобы избежать столкновения электронов с другими атомами на их пути к поверхности, эксперимент проводился в вакуумной камере. Для измерения количества электронов, рассеянных под разными углами, кубок фарадея Использовался электронный детектор, который можно было перемещать по дуге вокруг кристалла. Детектор был разработан для приема только упруго рассеянные электроны.

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 (поэтому атомы были равномерно расположены) кристалла. Это в 1925 году привело к появлению дифракционной картины с неожиданными пиками.

Прорвать

Во время перерыва 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 использовались дифракционные кривые из исследования Дэвиссона 1923 года, которое он опубликовал в Наука в том же году, используя полученные данные как подтверждение гипотезы де Бройля.^[7]

Он узнал, что в предыдущие годы другие ученые - Уолтер Эльзассер, Э. Дж. 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 записку Природа под названием «Рассеяние электронов на монокристалле никеля».^[8]

Вопросы все еще требовали ответа, и эксперименты продолжались до 1927 года.^[9]

Варьируя напряжение, подаваемое на электронную пушку, максимальная интенсивность электронов, дифрагированных на поверхности атома, находилась под разными углами. Наибольшая интенсивность наблюдалась при угле θ = 50 ° при напряжении 54 В, что давало электронам кинетическую энергию 54 эВ.^[2]

В качестве Макс фон Лауэ Было доказано, что в 1912 году периодическая кристаллическая структура служит разновидностью трехмерной дифракционной решетки. Углы максимального отражения задаются условием Брэгга для конструктивного вмешательства от решетки, Закон Брэгга

${\displaystyle n\lambda =2d\sin \left(90^{\circ }-{\frac {\theta }{2}}\right),}$

за п = 1, θ = 50 °, а для шага кристаллические плоскости никеля (d = 0,091 нм) получено из предыдущего Рассеяние рентгеновских лучей эксперименты с кристаллическим никелем.^[2]

Согласно соотношению де Бройля электроны с кинетической энергией 54 эВ иметь длину волны 0.167 нм. Результат эксперимента был 0,165 нм через Закон Брэгга, что практически совпало с прогнозами. 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 лучи 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

Только в 1960-х годах вакуумные лампы стали надежными и доступными для расширения техники дифракции электронов, но с того времени ученые стали использовать Дифракция LEED исследовать поверхности кристаллизованных элементов и расстояние между атомами.^{[нужна цитата ]}

Рекомендации

1. Davisson, C.J .; Гермер, Л. Х. (1928). «Отражение электронов кристаллом никеля». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 14 (4): 317–322. Bibcode:1928ПНАС ... 14..317Д. Дои:10.1073 / pnas.14.4.317. ЧВК  1085484. PMID  16587341.
2. 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 Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-87373-0.
3. Рубин, Х. (1995). "Уолтер М. Эльзассер". Биографические воспоминания. 68. Национальная академия прессы. ISBN  978-0-309-05239-9.
4. Дэвиссон, Клинтон Джозеф; Томсон, Джордж Пэджет (1937). «Клинтон Джозеф Дэвиссон и Джордж Пэджет Томсон за их экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах». Нобелевский фонд.
5. Нобелевский фонд (Артур Холли Комптон и Чарльз Томсон Рис Уилсон) (1937). «Артур Холли Комптон за открытие эффекта, названного в его честь, и Чарльз Томсон Рис Уилсон за его метод визуализации путей электрически заряженных частиц путем конденсации пара». Нобелевский фонд 1927 г..
6. Янг, Хью Д. и Фридман, Роджер А. (2004) Университетская физика / Под ред. 11. Pearson Education, Эддисон Уэсли, Сан-Франциско, ISBN  0-321-20469-7С. 1493–1494.
7. Геренбек, Ричард К. (1978). «Электронная дифракция: пятьдесят лет назад» (PDF). Физика сегодня. 31 (1): 34–41. Bibcode:1978ФТ .... 31а..34Г. Дои:10.1063/1.3001830.
8. Davisson, C .; Гермер, Л. Х. (1927). «Рассеяние электронов на монокристалле никеля». Природа. 119 (2998): 558. Bibcode:1927Натура.119..558D. Дои:10.1038 / 119558a0. S2CID  4104602.
9. http://hermes.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Davisson_Germer_1927.pdf

внешняя ссылка

• R. Nave. «Эксперимент Дэвиссона – Гермера». Гиперфизика. Государственный университет Джорджии, Кафедра физики.