Эксперимент Дэвиссона-Гермера был экспериментом Клинтона Дэвиссона и Лестера Гермера в 1923-27 годах в Western Electric (позже Bell Labs) , [1] [2] [3] в котором электроны, рассеянные поверхностью кристалла металлического никеля, показал 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 .
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. [4] Согласно де Бройлю, как для всей материи, так и для излучения, энергия частицы связана с частотой связанной с ней волны соотношением Планка :
Важный вклад в эксперимент Дэвиссона-Гермера был сделан Уолтером 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, точно так же, как волновую природу материи можно исследовать с помощью экспериментов по рассеянию электронов на кристаллических твердых телах. Рентгеновские лучи были подтверждены экспериментами по рассеянию рентгеновских лучей на кристаллических твердых телах . [4] [5]
Это предложение Эльзассера затем было 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 предположением 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 в мишень из кристаллического никеля. Угловая зависимость интенсивности отраженных электронов была измерена [1] [2] и была определена как имеющая картину дифракции, аналогичную предсказанной Брэггом для рентгеновских лучей; некоторые небольшие, но существенные различия [3] были обусловлены средним потенциалом, который показал Ганс Бете в своем более полном анализе. [6] В то же время Джордж Пейджет Томсон и его ученик Александр Рид независимо друг от друга продемонстрировали тот же эффект, запуская электроны через целлулоидные пленки для создания дифракционной картины, а Дэвиссон и Томсон разделили Нобелевскую премию по физике в 1937 году. [4] [7] 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), [8] установило гипотезу корпускулярно-волнового дуализма, которая стала фундаментальным шагом в квантовой теории.
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. [9]
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. [10]
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 с чашкой 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. [10]
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.
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 [11] , используя эти данные в качестве подтверждения гипотезы де Бройля, о которой Дэвиссон не знал. [12]
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. [12]
Вернувшись в Соединенные Штаты, Дэвиссон внес изменения в конструкцию трубки и установку детектора, добавив помимо широты азимут. Последующие эксперименты показали сильный пик сигнала при 65 В и угле θ = 45°. Он опубликовал в журнале Nature заметку под названием «Рассеяние электронов монокристаллом никеля». [1]
На вопросы все еще требовалось ответить, и эксперименты продолжались до 1927 года, поскольку Дэвиссон был теперь знаком с формулой де Бройля и разработал тест, чтобы увидеть, можно ли различить какой-либо эффект при изменении длины волны электронов в соответствии с соотношением де Бройля, которое они знали, что пик должен составлять 78, а не 65 В, как показала их статья. 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. [12] [13]
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 энергию54 эВ . [4]
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.
Согласно соотношению де Бройля, электроны с кинетической энергией54 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 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». [3] Однако они добавляют: «Рассчитанные длины волн прекрасно согласуются с теоретическими значениями h/mv, как показано в прилагаемой таблице». [3] 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 дал Ганс Бете , решивший уравнение Шрёдингера [14] для случая дифракции электронов. [6]
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.
В конкретном подходе, использованном Дэвиссоном и Гермером, использовались электроны низкой энергии, то, что сейчас называется дифракцией низкоэнергетических электронов (LEED). Лишь намного позже разработка экспериментальных методов, использующих технологии сверхвысокого вакуума (например, подход, описанный Альпертом в 1953 году [15] ), позволила широко использовать дифракцию LEED для исследования поверхностей кристаллизованных элементов и расстояния между атомами. . [16] Методы, в которых электроны более высоких энергий используются для дифракции различными способами, были разработаны гораздо раньше.
