Davisson-Germer kokeilu

Davisson-Germer  Experiment on amerikkalaisten fyysikojen Clinton Joseph Davisson ja Lester Halbert Germer vuonna 1927 suorittama koe , jolla he osoittivat, että aineen hiukkasilla on aaltoominaisuuksia tietyissä olosuhteissa. Hän vahvistaa de Broglien hypoteesin aalto-hiukkasten kaksinaisuudesta, jonka hän esitti vuonna 1924 .

Osoittaakseen massaisten hiukkasten aaltoluonteen he rakensivat tyhjöpullon elektronien lähteellä, jonka energiaa voitiin ohjata sähköstaattisen kentän avulla . Kokeessa pommitettiin nikkeliyksikidettä elektronisäteellä ; Vastaanottavalla levyllä, kuten röntgensäteiden tapauksessa , havaittiin diffraktiokuvio kidehilassa , jolla oli voimakas maksimi tietyllä jännitteellä ja tulokulmalla . Tämä ilmiö osoittautui hyvin sopusoinnussa elektronien aallonpituuden kanssa tietyllä kineettisellä energialla ja nikkelin hilavakiolla, jolla diffraktio tapahtui . Suuremman massan omaavien esineiden aaltoluonne vahvistettiin myöhemmin toistuvasti samanlaisissa kokeissa .

Tausta

Vuodesta 1921 lähtien Clinton J. Davisson julkaisi yhdessä Charles Henry Kunsmanin kanssa erilaisia ​​artikkeleita elektronien sironnasta eri metallien ( nikkeli , alumiini , platina ja magnesium ) kiteiden vaikutuksesta [1] [2] [3] [4 ] ] . Vuonna 1925 nuori jatko-opiskelija, Walter Moritz Elsesser Göttingenin yliopistosta, huomasi , että aineen aaltoluonnetta voidaan tutkia käyttämällä sirontakokeita kiteisillä kiintoaineilla. Röntgensironnan avulla kiteisillä kiinteillä aineilla tehdyissä kokeissa röntgensäteiden aaltoluonne varmistettiin [5] [6] [7] [8] [9] [9] . Elsesser perustui ranskalaisen fyysikon Louis de Broglien vuoden 1924 väitöskirjaan , jossa hän muotoili vallankumouksellisen hypoteesin, että kaikella aineella, kuten elektroneilla, atomeilla tai molekyyleillä, on sekä korpuskulaarisia että aaltoominaisuuksia, ja määritti hiukkasiin liittyvän aallonpituuden . [10] [11] [12] :

missä λ on aallonpituus, joka liittyy nopeudella v liikkuvaan hiukkaseen , jonka massa on m , ja h  on Planckin vakio .  Tulo on vektorin moduuli tai hiukkasen liikemäärä [ 11] [13] .

Kesällä 1926 Max Born välitti Elsesserin ehdotuksen fyysikoille, jotka olivat kokoontuneet Oxfordiin British Association for the Advancement of Science -konferenssiin . Konferenssissa läsnä ollut Clinton J. Davisson tajusi löytönsä tärkeyden ja merkityksen ja keskusteli siitä Owen W. Richardsonin , Max Bornin ja James Frankin kanssa, jotka kertoivat hänelle myös uudesta teoriasta - aaltomekaniikasta , artikkelin jonka Erwin Schrodinger julkaisi äskettäin [14] [15] [16] . Tämän uuden tiedon avulla Davisson matkusti New Yorkiin demonstroimaan elektronien korpuskulaarisen aallon luonnetta [17] [16] .

Vuonna 1925 Clinton J. Davisson ja Lester H. Germer työskentelivät Bell Laboratoriesissa New Yorkissa , jonka omistaa amerikkalainen televiestintäyhtiö American Telephone and Telegraph ( AT&T ), ja tutkivat elektronien heijastusta metallien vaikutuksesta. He joutuivat onnettomuuteen tyhjiöpullon kanssa, joka sisälsi palan monikiteistä nikkeliä, kun nestemäinen ilmasäiliö räjähti ja rikkoi sen, jolloin kuuma nikkeli hapettui nestemäisen ilman hapen vaikutuksesta. Muodostuneen nikkelioksidin poistamiseksi sitä kuumennettiin varovasti vetyvirrassa ja tyhjiössä korkeisiin lämpötiloihin. Tämä johti monikiteisen kiteen muuttumiseen yksittäiskiteeksi joillakin kiteen alueilla, ja kun Davisson ja Germer toistivat kokeen, he huomasivat, että aikaisemmat tulokset eivät olleet toistettavissa. Suurin heijastunut elektronisuihku havaittiin samassa kulmassa kuin röntgensäteistä [18] . Tämä satunnainen tapahtuma johti muutokseen heidän tutkimuksessaan ja yksikiteisten nikkelinäytteiden käyttöön [7] [6] [19] .

Kokeile

Laitteet

Davissonin ja Germerin käyttämä laite koostui elektronitykistä, joka synnytti säteen termionisella emissiolla Joule - ilmiön lämmittämästä volframinauhasta . Sen jälkeen kun emittoidut elektronit tulivat pieneen kammioon, niitä kiihdytettiin kymmenien volttien luokkaa olevalla potentiaalierolla (15 V ja 350 V välillä). Halkaisijaltaan 1 mm:n kiihdytetty säde suunnattiin nikkeli - yksikiteelle , joka sijaitsee 7 mm:n päässä normaalisti maan pinnalle saapuvien elektronien ulostulopaikasta [20] . Kohde oli nikkeli-yksikidekide, jonka koko oli 8 mm × 5 mm × 3 mm, jota voitiin kiertää elektronisäteen tuloakselin ympäri. Nikkelillä on kasvokeskeinen kuutiokiderakenne . Pinta, jolle elektronisuihku osui, oli yhdensuuntainen Miller-indeksien (111) [21] määrittämän kristallografisen tason kanssa .

Nikkeliatomit diffraktioivat elektroneja ja poistuivat tietyssä kulmassa, joka voidaan määrittää detektorilla, joka koostui kaksois Faradayn häkistä ja galvanometristä , joka pystyi pyörimään 20° ja 90° tulevan säteen suuntaan nähden. samalla intensiteetti mitattiin elektronisuihkulla. Molemmat palkit liikkuivat kammiossa, jossa syntyi tyhjiö, jonka paine oli 2 × 10 -6 mm Hg. Taide. jopa 3 10 −6 mm Hg. Taide. [21]

Havainnot

Davisson ja Germer huomasivat, että kun kiihdyttävä elektroni osuu nikkelin pintaan, syntyy intensiteettimaksimia, joita ei voida selittää pitämällä elektronia hiukkasena, joka törmää pallomaisilla nikkeliatomeilla täytetylle pinnalle, jonka olisi pitänyt hajottaa elektronit kaikkiin suuntiin. Voimakkain maksimi saavutettiin kiihdyttämällä elektroneja potentiaalierolla suuntautunutta nikkelikidettä vastaan, jonka atomikerrokset ovat kohtisuorassa tulosuuntaan nähden [20] . Tässä tapauksessa elektronien heijastuksen aiheuttama diffraktio tapahtui suurimmalla intensiteetillä tulosuunnassa [22] .

Havaittu ilmiö oli kuitenkin samanlainen kuin röntgensäteiden diffraktio kiteisellä pinnalla, jonka saksalainen fyysikko Max von Laue löysi vuonna 1912 yhteistyökumppaneidensa Paul Knippingin ja Walter Friedrichin kanssa, minkä ansiosta hän pystyi määrittämään röntgensäteiden aaltoluonteen. , pitäen niitä korkeaenergisten hiukkasten säteinä. Röntgendiffraktiota tutkivat vuonna 1913 William Lawrence Bragg ja William Henry Bragg , jotka pystyivät yhdistämään maksimiintensiteetit kiteen atomikerrosten välisiin etäisyyksiin [23] [21] .

Röntgendiffraktio johtuu siitä, että tällä sähkömagneettisella säteilyllä on hyvin lyhyet aallonpituudet, 10 nm - 100 pm, mikä on verrattavissa kiteissä oleviin atomien välisiin etäisyyksiin (hilavakio nikkelissä ) [20] . Tässä tapauksessa peilaussirontaa tapahtuu kiteen atomien heijastuksen vuoksi, ja erilaiset taipuneet säteet häiritsevät rakentavasti ja tuhoavasti. Ensimmäiset lisäävät säteen intensiteettiä, kun taas jälkimmäiset heikentävät sitä [22] .

Davissonin ja Germerin koe tallentaa tietoja rakentavasta häiriöstä. Edellytys vierekkäisten atomien konstruktiiviselle interferenssille, joka antaa maksimaalisen intensiteetin, on, että kahden taipuneen säteen reittiero on yhtä suuri kuin aallonpituus , kun röntgensäteet taittuvat. Samaa ehtoa soveltaen voidaan laskea taipuneiden elektronien aallonpituudet [22]

Elektronien aallonpituus de Broglien mukaan

De Broglien kaava nopeudella liikkuvan massahiukkasen aallonpituudelle [11] :

missä  on Planckin vakio , joka on yhtä suuri kuin .

Potentiaalierolla kiihdytetylle varautuneelle elektronille voidaan johtaa nopeus ja massa pienillä nopeuksilla, eli ottamatta huomioon relativistisia vaikutuksia, sähkötyön tasaamisesta ja liike-energian muutoksesta alun ja lopun välillä. klassinen lentorata ,. Kun elektronit kiihtyvät levosta,

Tämän lausekkeen vertailu sähkötyöhön johtaa lausekkeeseen

Koska elektronin varaus on negatiivinen, voimme kirjoittaa

De Broglien aallonpituus on [20]

Jos korvaamme numeeriset arvot ; ; ja siitä tulee [20]

Tämä arvo on yhtäpitävä kokeessa Davissonin ja Germerin saaman arvon kanssa, mikä vahvistaa de Broglien hypoteesin. Tämän vahvistavat myös muilla jännitteillä ja kiteen eri pinnoille putoavilla elektronisuihkuilla tehdyissä kokeissa saadut tiedot [24] .

Diffraktio sisäisten kristallografisten tasojen mukaan

Elektronien diffraktio, kuten röntgensäteet, tapahtuu tietyissä edullisissa suunnissa, mikä viittaa siihen, että kiteen sisällä on useita samansuuntaisia ​​nikkeliatomien tasoja. Lyhyen pituutensa ansiosta röntgensäteillä on hyvä läpäisykyky. Braggin kaavalla on muoto

missä:

Davissonin ja Germerin yksikiteisen nikkelin kokeessa elektronisäde tunkeutuu kiteen sisään ja heijastuu eri yhdensuuntaisille tasoille, joita erottaa etäisyys ja diffraktiokulma . Braggin kaavan soveltaminen ensimmäisen asteen maksimiin antaa

[26] .

Atomien välinen etäisyys, , voidaan yhdistää kristallografisten tasojen väliseen etäisyyteen ja tulevan ja taittuneen säteen väliseen kulmaan . Puolet tästä kulmasta on yhtä suuri kuin kiteen pinnan ja kristallografisten tasojen suunnan muodostama kulma, koska elektronisäteen heijastus noudattaa heijastuslakia (tuleva ja heijastuva säde muodostavat saman kulman kuin normaali heijastuspinta). Siten tulevan ja normaalin säteen välinen kulma on , ja nämä kaksi suuntaa ovat kohtisuorassa kiteen pintaan ja kristallografiseen tasoon nähden, joten ne muodostavat saman kulman . Kommunikaatio selviää

Tulevan säteen ja kristallografisen tason välinen kulma on . Braggin kaava voidaan kirjoittaa uudelleen tämän kulman suhteen ja yksinkertaistaa käyttämällä trigonometristä identiteettiä

Jos vaihda

tai käyttämällä trigonometristä kaksoiskulmaidentiteettiä

tätä yhtälöä käytetään esittelyyn pintaheijastuksen tapauksessa [22] .

Seuraukset

Samaan aikaan kun Davisson ja Germer tekivät kokeitaan Englannissa, elektronin löytäneen Joseph John Thomsonin poika George Paget Thomson teki samanlaisia ​​kokeita loistamalla katodisäteitä erilaisista materiaaleista valmistettuihin levyihin, kuten selluloidi- , kulta- tai platinaa ja valokuvien ottamista näytön takana levyn takana sarja samankeskisiä renkaita, jotka ovat samanlaisia ​​kuin ne, jotka muodostuvat aaltojen diffraktiosta. Selitys oli, että elektroneista koostuvilla katodisäteillä oli aaltokäyttäytyminen, kuten Louis de Broglie ennusti vuonna 1924 [27] [28] . Samoin kuin Thomsonin kokeissa katodisäteiden sironta monikiteisiin kalvoihin toteutti Neuvostoliitossa Pjotr ​​Savvitš Tartakovskii [29] , joka myös havainnoi samankeskisiä ympyröitä valokuvalevyllä. Samakeskeisiä ympyröitä muodostuu ongelman aksiaalisymmetrian ja kristalliittien mielivaltaisen suunnan vuoksi monikiteessä. Diffraktoivat elektronit kulmassa θ (maksimi, kun Bragg-Wulfin ehto täyttyy) muodostavat kartion, jonka huippukulma on 2θ. Thompson käytti nopeita elektroneja, joiden energia oli 17,5-56,5 keV, kun taas Tartakovsky käytti 1,7 keV [30] .

Muutama vuosi elektronidiffraktion keksimisen jälkeen aaltohiukkasten kaksinaisuus osoitettiin myös atomeille ja molekyyleille . Heliumatomit ja vetymolekyylit diffraktioituivat litiumfluoridin LiF [31] , natriumfluoridi NaF ja natriumkloridi NaCl (100) pinnalla ja vetyatomit taittuivat LiF:n pinnalla [ 32] . Vuonna 1936 oli mahdollista tarkkailla lämpöneutronien diffraktiota , jonka lähde oli radium-beryllium-seos [33] .

Todisteet elektronien aaltoluonteesta olivat niin vakuuttavia, että vuonna 1929, vain kaksi vuotta julkaisujen julkaisemisen jälkeen, Louis de Broglie sai fysiikan Nobel-palkinnon tästä löydöstä. Vuonna 1933 Erwin Schrödinger sai Nobelin fysiikan palkinnon aaltokvanttimekaniikan kehittämisestä , ja vuonna 1937 Clinton Joseph Davisson ja George Paget Thomson saivat myös Nobelin fysiikan palkinnon itsenäisesti tekemistään löydöistä elektronidiffraktiosta kiteissä [34] [32] . Max Jammer sanoi tästä [35] :

Voisi tuntua tarpeelliselta sanoa, että isä Thomson sai Nobelin palkinnon elektronin olevan hiukkasen osoittamisesta ja poika Thomsonin elektronin aallon osoittamisesta.

Alkuperäinen teksti  (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Voi olla taipumus sanoa, että Thomson, isä, sai Nobel-palkinnon siitä, että hän osoitti elektronin olevan hiukkanen, ja Thomson, poika, siitä, että hän osoitti elektronin olevan aalto.

Toisaalta Davisson-Germer-kokeen tuloksena saatiin analyyttinen tekniikka nimeltä matalaenerginen elektronidiffraktio , jolla tutkitaan kiteiden pintoja ja niissä tapahtuvia prosesseja. Tässä tapauksessa elektronien energiat ovat 10 eV ja 200 eV välillä, mikä vastaa aallonpituuksia välillä 100 pkm ja 400 pkm. Tällä tavalla voidaan tutkia vain pintoja, koska nämä elektronit taivuttavat vain pintaatomeja tai sitä lähinnä olevia atomeja [36] .

Muistiinpanot

  1. ↑ Davisson, C. (1921). "Nikkelin aiheuttama elektronien sironta". tiede __ _ ]. 54 : 522-524.
  2. ↑ Davisson, C. (1922). "Nikkelin aiheuttama elektronien sironta" . Phys. Rev. [ englanti ] ]. 19 :253-255.
  3. ↑ Davisson, C. (1921). "Alumiinin elektronien sironta" . Phys. Rev. [ englanti ] ]. 19 :534-535.
  4. ↑ Davisson, C. (1923). "Platinan ja magnesiumin hitaiden elektronien sironta " Phys. Rev. [ englanti ] ]. 22 (3): 242-258.
  5. ↑ Elsässer, W.M. (1925). "Bemerkungen zur Quantenmechanik freier Elektronen". Naturwissenschaften [alemany]. 13 (33): 711. DOI : 10.1007/BF01558853 .
  6. ↑ 12 Eisberg ja Resnick, 1985 , s. 57.
  7. ↑ 12 Serway ja Jewett, 2014 , s. 1250-1251.
  8. ↑ Mehra, Jagdish. Planckin, Einsteinin, Bohrin ja Sommerfeldin kvanttiteoria: sen perusta ja vaikeuksien nousu: 1900-1925 . - New York: Springer, 1982. - ISBN 038795175X .
  9. ↑ 12 Mehra ja Rechenberg, 2000 , s. 373.
  10. ↑ De Broglie, L.V. (1923). "Aallot ja kvantit" . luonto __ _ ]. 112 : 540. Arkistoitu alkuperäisestä 2019-05-01 . Haettu 16.1.2022 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  11. ↑ 1 2 3 De Broglie, LV (yleishelmikuu 1925). "Recherches sur la theorie des quanta" (PDF) . Annales de Physique [ranska]. 3 : 22-128. Arkistoitu (PDF) alkuperäisestä 30.08.2021 . Haettu 16.1.2022 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje );Tarkista päivämäärä osoitteessa |date=( englanniksi ohje )
  12. ↑ Eisberg ja Resnick, 1985 , s. 56.
  13. ↑ Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 62.
  14. ↑ Schrodinger, E (1926). "Quantisierung als eigenwertproblem". Annalen der physik [alemany]. 385 (13): 437-490.
  15. ↑ Schrodinger, E (1926). "Atomien ja molekyylien mekaniikan aaltoileva teoria" . Phys. Rev. [ englanti ] ]. 28 :1049 . Arkistoitu alkuperäisestä 2022-01-15 . Haettu 16.1.2022 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  16. ↑ 12 Mehra ja Rechenberg, 2000 , s. 374.
  17. ↑ Davisson, CJ (1937). "Nobel-luento: Elektroniaaltojen löytö" . nobelprize.org _ _ ]. Arkistoitu alkuperäisestä 27.08.2017 . Haettu 16. joulukuuta 2014 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje );Tarkista päivämäärä osoitteessa |accessdate=( englanniksi ohje )
  18. ↑ Mehra ja Rechenberg, 2000 , s. 375.
  19. ↑ Davisson, Clinton. Elektroniaaltojen löytö // Nobel-luennot, fysiikka 1922–1941 . - Amsterdam : Elsevier Publishing Company, 1965. Arkistoitu 27. elokuuta 2017 Wayback Machinessa
  20. ↑ 1 2 3 4 5 Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 73.
  21. ↑ 1 2 3 Davisson, CJ (1927). "Electronien sironta nikkelikiteellä" (PDF) . Phys. Rev. [ englanti ] ]. 30 (6): 705-742. Arkistoitu (PDF) alkuperäisestä 2021-11-03 . Haettu 16.1.2022 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  22. ↑ 1 2 3 4 French, AP Johdatus kvanttifysiikkaan. - Roca Raton, Florida: CRC Press, Taylor & Francis Group, 1978. - ISBN 9780748740789 .
  23. ↑ Davisson, CJ (1927). "Electronien sironta nikkelikiteellä" . luonto __ _ ]. 119 : 558-560. Arkistoitu alkuperäisestä 22.06.2017 . Haettu 16.1.2022 . Käytöstä poistettu parametri |deadlink=( ohje )
  24. ↑ Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 73-74.
  25. ↑ Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 71-72.
  26. ↑ Zetttili, Nouredine. Kvanttimekaniikka: käsitteet ja sovellukset. - Chichester, Iso-Britannia: Wiley, 2009. - ISBN 0470026782 .
  27. ↑ Thomson, G.P. (1927). "Ohutkalvon katodisäteiden diffraktio" . luonto __ _ ]. 119 (3007): 890.
  28. ↑ Thomson, G.P. (1927). "Platinaohutkalvojen katodisäteiden diffraktio" . luonto __ _ ]. 120 (3031): 802.
  29. ↑ Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 71.
  30. ↑ Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 77.
  31. ↑ Mehra ja Rechenberg, 2000 , s. 380.
  32. ↑ 1 2 Van Hove, Weinberg ja Chan, 1986 .
  33. ↑ Martinson ja Smirnov, 2004 , s. 82.
  34. ↑ Kaikki fysiikan Nobel-palkinnot  . Nobelprize.org . Käyttöpäivä: 22 gener 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 11. heinäkuuta 2013.
  35. ↑ Eisberg ja Resnick, 1985 , s. 59.
  36. ↑ Atkins, PW Atkins química física  : [ katalaani. ] . - Buenos Aires México : Médica Panamericana, 2008. - ISBN 9500612488 . Arkistoitu 16. tammikuuta 2022 Wayback Machinessa

Kirjallisuus

Linkit