C.J Davisson と L.H Germer は、実験を通じて電子の波動性を証明しました。彼らの電子回折配置の実験は、電子ビームの波動性と波長のド・ブロイ関係を確認しています。
その後、1988 年に、二重スリット実験によって、電子ビームの波動性が再び検証されました。 David-Germer の実験は、最終的に量子力学を証明しました。
以前に科学者によって提案された原子モデルは、電子の粒子の性質のみを定義できましたが、波の性質の特性を定義できませんでした。クリントン・ジョセフ・デイヴィソンとレスター・ハルバート・ガーマーは 1927 年に実験を行いました。この実験は非常に人気があり、デイヴィソン・ガーマーの実験と呼ばれています。この実験は、電子回折によって電子の波動性を定義します。 Davisson と Germer の実験で得られた観察と結論を学びましょう。これは、ド・ブロイ仮説の妥当性を証明する最初の成功した実験です。
Davisson-Germer 実験のセットアップ
Davisson-Germer 実験は真空チャンバー内に埋め込まれているため、電子の偏向と媒体による散乱は無視されます。以下は、実験セットアップの主要部分です:
ⅰ) 電子銃: 加熱すると、熱電子放出と呼ばれるプロセスによって多数の電子を放出する、タングステンでできたフィラメントで構成される電子銃。そのため、電子銃は特定の温度に加熱されると電子を放出すると結論付けています。
ⅱ) 静電粒子加速器: 多数の電子が電子銃から放出されるため、これらの電子を特定の電位で加速するために、互いに反対の 2 つの電荷 (正と負のプレート) が使用されます。
ⅲ) コリメータ: 加速器は、電子がその軸に沿って走る経路を制限するように、シリンダー内で調整されます。コリメータの目的は、加速のために電子のわずかでまっすぐなビームを作ることです。
ⅳ) ターゲット: ターゲットの動機はニッケル結晶を見つけることであり、電子ビームは一般にニッケル結晶に照射され、その位置は固定された軸の周りを回転するようになっています.
ⅴ) 検出器: 検出器は、ニッケル結晶から分散した電子を収集するように収容されています。検出器は半円弧状に移動できます。
作業中
電子の細いビームがニッケル結晶に当たるように作られ、近づいてくる電子はニッケル結晶の原子によってさまざまな方向に攻撃されます。電子検出器を円形スケール上で回転させることにより、散乱ビームの強度が異なる緯度角 ∅ で測定されます。
次に、44 ボルトから 68 ボルトまで変化するさまざまな加速電圧について、散乱電子の強度と緯度角との間にプロットされた極座標グラフ。得られたグラフは、加速電圧が 54V &∅=50° の場合に鋭い隆起があることを示しています。
適切な方向にこの鋭い隆起が現れるのは、主にニッケル結晶から散乱される電子の建設的な干渉によるものです。これにより、電子の波動性が開始されます。
単純なジオメトリから、∅ =50° の場合、
θ+ ∅ + θ =180° (ここでは散乱角です)
2 θ+ ∅=180°
2θ =( 180° – ∅)
2θ =180° – 50°
2θ =130°
θ =65°
また、ニッケル結晶の場合、原子間距離は d =0.91°A です。
ブラッグの法則によれば、一次回折最大値は (n =1)
2d Sinθ =nλ
2d Sin =1 λ
2 0.91 Sin 65° =λ
λ =1.65°A
ド・ブロイ仮説によれば、電子に対応する波の波長は次の式で与えられます:
λ =h/√2mev
(または)
λ =12.27/√V
λ =12.27/√54
λ =1.66°A
これは、推定値と実験値の間に密接な一致があることを明確に示しており、運動中の電子に対するドブロイ波の存在をさらに示しています。
ド・ブロイの方程式
後年、ド・ブロイは物質の波動性を確立しました。移動する物質粒子に関連する波は、物質波またはドブロイ波として知られています。
ド・ブロイ波長は λ =h/p に等しくなります。
方程式の λ は波の性質を表し、p は粒子の性質を表します。したがって、この方程式は放射線と物質の両方の性質を解決しました。
ド・ブロイ仮説方程式によって計算される波長は、物質の電荷や性質に依存しません。ド・ブロイの実験は、すべての理論と現代の量子力学の基礎となっています。電子顕微鏡の設計には、電子の波動性が利用されています。
ド・ブロイ方程式の導出
hf =mc²
私たちが知っているように、f =c / ƛ
hc/ ƛ =mc² または ƛ =h/mc
c =vの場合。次に ƛ =h/mv
また、粒子の運動量は P=mv で与えられることもわかっています。
したがって、ƛ =h/P.
Davisson-Germer 実験の相関 とド・ブロイの関係
ド・ブロイより
λ =h /p
λ =(1.227/√54) =0.167nm
結論
Davisson-Germer の実験は、ド ブロイ仮説の有効性を実証した最初の成功した実験です。
電子銃のフィラメント F から出た電子は、40 ～ 68 ボルトの電位差で加速され、塩化ニッケル結晶に落ちます。電子は波のように振る舞うため、特定の優先方向に回折されます。回折された電子は電子コレクタによって受け取られる。 54ボルトの加速電位の場合、回折は必須であり、50°の角度で発生することがわかります。これは、波が電子に関連付けられていることを示しており、建設的な干渉を引き起こし、明確な経路に沿って移動します.
