Войти
Эксперимент Дэвиссона – Гермера был экспериментом 1923-1927 годов, проведенным Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Гермером из Western Electric (позже Bell Labs), в котором электроны, рассеянные поверхностью кристалла металлического никеля, имели дифракционную картину. Это подтвердило гипотезу, выдвинутую Луи де Бройлем в 1924 году, о дуальности волна-частица и явилось экспериментальной вехой в создании квантовой механики.
Согласно В уравнениях 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 )., которая принесла ему Нобелевскую премию по физике в 1921 году. В 1924 году Луи де Бройль представил свою диссертацию по теории дуальности волна-частица, в которой была высказана идея о том, что вся материя отображает волну –Частичная двойственность фотонов. Согласно де Бройлю, как для всего вещества, так и для излучения, энергия 
И что импульс частицы 
где h - постоянная Планка.
Важный вклад в эксперимент Дэвиссона-Гермера внес Вальтер М. Эльзассер в Геттингене в 1920-х годах, который заметил, что волнообразная природу вещества можно было бы исследовать с помощью экспериментов по рассеянию электронов на кристаллических твердых телах, точно так же, как волновая природа рентгеновских лучей была подтверждена в экспериментах по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллических твердых телах.
Это предложение Эльзассера было передано его старшим коллегой (а позже Лауреат 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 заключалась не в подтверждении гипотезы де Бройля, а в изучении поверхности никеля.
Мемориальная доска Американского физического общества на Манхэттене в память об эксперименте 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. Эксперимент Дэвиссона-Гермера подтвердил де Гипотеза Бройля о волнообразном поведении материи. Это, в сочетании с эффектом Комптона, открытым Артуром Комптоном (получившим Нобелевскую премию по физике в 1927 году), установило гипотезу дуальности волна-частица, которая была фундаментальным шагом в квантовой теории. теория.
Дэвиссон начал работу в 1921 году с целью изучения электронной бомбардировки и вторичной электронной эмиссии. Серия экспериментов продолжалась до 1925 года.
Экспериментальная установка Фактическая цель Дэвиссона и Гермера заключалась в изучении поверхности куска никеля, направляя 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.
Эксперимент состоял в запуске электронного луча (из электронная пушка, электростатический ускоритель частиц ) на кристалле никеля, перпендикулярном поверхности кристалла, и измерение 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, использовался электронный детектор чашка Фарадея, который можно было перемещать по дуге вокруг кристалла. Детектор был спроектирован так, чтобы принимать только упруго рассеянные электроны.
Во время эксперимента воздух случайно попал в камеру, образуя 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.
Когда они снова начали эксперимент и электроны ударялись о поверхность, они были рассеяны атомами никеля в кристаллических плоскостях (таким образом, атомы были расположены равномерно) кристалла. Это в 1925 году привело к появлению дифракционной картины с неожиданными пиками.
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 использовал дифракционные кривые из исследования Дэвиссона 1923 года, которое он опубликовал в журнале Science в том же году, используя данные как подтверждение гипотезы де Бройля.
Он узнал, что в предыдущие годы, другие ученые - Уолтер Эльзассер, Э. Г. Даймонд и Блэкетт, Джеймс Чедвик и Чарльз Эллис - пытались провести аналогичные эксперименты по дифракции, но не смогли создать достаточно низкий вакуум или обнаружить необходимые пучки низкой интенсивности.
Возвращение к В США 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 в журнале «Nature» заметку под названием «Рассеяние электронов на монокристалле никеля».
Вопросы все еще требовали ответа, и эксперименты продолжались до 1927 года.
Путем изменения приложенного напряжения. Для электронной пушки максимальная интенсивность дифрагированных на атомной поверхности электронов была обнаружена под разными углами. Наибольшая интенсивность наблюдалась при угле θ = 50 ° при напряжении 54 В, что давало электронам кинетическую энергию 54 eV.
Как Макс фон Лауэ доказал в 1912 году, периодическая кристаллическая структура служит в качестве разновидность 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.
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 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 ». Однако они добавляют: «Расчетные длины волн превосходно согласуются с теоретическими значениями h / mv, как показано в прилагаемой таблице». 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.
Только в 1960-х годах вакуумные лампы стали достаточно надежными и доступными для расширения техники дифракции электронов, но с тех пор ученые использовали LEED дифракция для исследования поверхностей кристаллизованных элементов и расстояния между атомами.
