Davisson と Germer の実験は、電子が波であることを証明し、ド ブロイ方程式を検証した最初の実験でした。 1924 年、ド ブロイは物質の二重性を仮定しましたが、デイヴィソンとガーマーの実験はずっと後になるまで結論を検証しませんでした。この発見は、実験環境で初めて量子力学を証明しました。この実験では、Ni 結晶による電子散乱を調べます。
建設:
Davisson と Germer の実験の構成には、媒体が電子の偏向や散乱に影響を与えない真空チャンバーが含まれています。実験セットアップの主な要素は次のとおりです。
電子銃:
これは、熱電子放出によって電子を生成するタングステン フィラメントです。つまり、特定の温度に加熱すると電子を放出します。
静電粒子加速器:
2 つの反対に帯電したプレート (+ve および -ve プレート) を使用して、既知の電位で電子を加速します。
コリメータ:
加速器は、その軸に沿って流れる電子の狭いチャネルを備えたシリンダー内に含まれています。その機能は、細くてまっすぐな (コリメートされた) 電子ビームを加速することです。
ターゲット:
ニッケル結晶を見つけることが目的です。通常、電子ビームはニッケル結晶に照射されます。水晶は、固定軸を中心に回転できるように設定されています。
検出器:
Ni 結晶から分散した電子を収集するために、検出器が使用されます。検出器は半円弧状に移動します。
DAVISSON GERMER の実験は進行中です:
- 酸化バリウムでコーティングされたタングステン フィラメント F を備えた電子砲は、低電圧電源を使用して加熱されました。
- 電子砲は、高電圧電源から特定の電位差が供給されると、特定の速度に加速される電子を生成します。
- 解放された電子は、軸に沿って穿孔された微細な穴のあるシリンダーを強制的に通過させられ、その結果、細かくコリメートされたビームが得られました。
- シリンダーのビームが再びニッケル結晶の表面に向けられます。その結果、電子はさまざまな方向に広がります。
- 電子検出器は、生成された電子ビームの強度を記録します。電子ビームは、高感度検流計に接続された後、円形スケール上を移動します (電流を記録するため)。
- 散乱電子ビームの強度は、(入射電子ビームと散乱電子ビームの間の角度) を変更するさまざまな位置で円形スケールの周りに検出器を移動することにより、さまざまな散乱角度で測定されます。
考察:
以下は、この実験から導き出される可能性のある結論の一部です:
- ここで使用される検出器は、粒子の形の電子の存在のみを検出できます。その結果、電子は検出器によって電流として受信されます。
- 検出器が受信した電流の強度 (強さ) と散乱角度が調べられます。電子強度は、この電流に付けられた名前です。
- 分布する電子の強度が異なります。これは、X 線回折パターンの山と谷に対応する最高値と最低値を示しています。
- 散乱角シータを変更することで、分散した電子の強度 (I) を変更することができました。
- 加速電位差を調整することにより、加速電圧を44ボルトから68ボルトまで変化させた。加速電圧 54 V、散乱角 50°で、散乱電子の強度 (I) に大きなピークを特定することができました。
- 結晶の等間隔に配置された原子の複数の層から散乱された電子の建設的な干渉により、このピークが作成されました。物質波の波長は、電子回折によって 0.165 nm であると決定されました。
実験セットアップのインスピレーション:
Davisson と Germer の実験では、Ni 結晶の 2 つの異なる原子層から反射された波が一定の位相差を持つと仮定していました。これらの波は、反射した後、建設的または破壊的に相互作用します。このプロセスの結果、回折パターンが現れます。
Davisson と Germer の実験では、電子の代わりに波が使用されました。電子が引き寄せられると、回折パターンが作成されました。その結果、物質の二面性が確立されました。次の図は、ド ブロイ方程式とブラッグの法則がどのように関連しているかを示しています。
次のド・ブロイ方程式があります:
λ =h/p
=h/ √(2mE)
=h/ √ (2m eV)
ここで、m =電子の質量
e =電子の電荷
h =プランク定数。
その結果、電子は特定の V の方程式によって決定される波長を持ちます。
次の方程式は、ブラッグの法則を表しています:
nλ =2d sin (90° − θ ⁄ 2)
回折パターンを作成する波の波長は、X 線回折研究からの d の値が以前に知られていたため、さまざまな値の方程式から導き出すことができます。
デイヴィソンとジャーマーの実験結果:
Davisson と Germer の実験では、散乱角と、電子散乱が最大になる対応する電位差 V が得られます。その結果、Davisson と Germer のデータからのこれら 2 つの値を両方の方程式に適用すると、同じ結果が得られます。以下に示すように、ド ブロイの波動と粒子の二重性が結果として実証され、彼の方程式が検証されます。
λ =h/√(2mE)
V =54V
λ =12.27/ √ (54) nm
=0.167 ナノメートル
X線散乱を使用して、「d」の値は0.092 nmであると決定されました。その結果、V =54 V の場合、散乱角度は 50° であり、これを式で使用して次を取得できます。
nλ =2(0.092 nm) sin (90 ̊ – 50 ̊/2)
n =1 の場合、λ =0.165 nm
実験の結果は、ド・ブロイ方程式から導き出された理論値と非常によく一致しています。
結論:
Davisson-Germer 実験では、電子は結晶ニッケル表面から分散されます。電子物質波回折パターンが注目されます。それらは物質波の存在の証拠を提供します。さまざまな粒子による回折調査により、物質波が明らかになります。 Davisson と Germer の実験で実証されているように、電子ビームが原子結晶を通過すると、回折が発生します。これは、電子の波の性質が干渉と回折を引き起こす可能性があることを示しています。
