Tekst źródłowy strony Doświadczenie Davissona i Germera

[[Plik:Doświadczenie DavissonaPL.png|mały|Budowa doświadczenia]]
'''Doświadczenie Davissona i Germera''' – [[eksperyment]] fizyczny przeprowadzony przez [[Amerykanie|amerykańskich]] fizyków [[Clinton Joseph Davisson|Clintona Davissona]] i [[Lester Germer|Lestera Germera]] w 1927 roku, który potwierdził [[Fale materii|hipotezę de Broglie’a]]. Według hipotezy, którą postawił [[Louis de Broglie]] w 1924 roku, każda cząstka [[Materia (fizyka)|materii]], jak np. [[elektron]], ma właściwości [[fala|falowe]]. Doświadczenie nie tylko odegrało główną rolę przy weryfikacji tej hipotezy i zademonstrowało [[dualizm korpuskularno-falowy]], lecz było także ważne dla rozwoju tworzącej się [[Mechanika kwantowa|mechaniki kwantowej]] i akceptacji [[Równanie Schrödingera|równania Schrödingera]].

== Historia ==
Pod koniec XIX wieku uważano, zgodnie z [[Równania Maxwella|równaniami Maxwella]], że światło składa się z [[Promieniowanie elektromagnetyczne|fal elektromagnetycznych]], a materia z cząstek. Jednak pogląd ten został zakwestionowany w 1905 roku przez [[Albert Einstein|Alberta Einsteina]] w publikacji dotyczącej [[Efekt fotoelektryczny|efektu fotoelektrycznego]], w której opisał światło jako dyskretne cząstki energii (obecnie zwane [[foton]]ami), za którą otrzymał [[Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki|Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki]] w 1921 roku. W 1924 roku [[Louis de Broglie]] przedstawił swoje tezy dotyczące teorii dualizmu korpuskularno-falowego, w których zaproponował pomysł, że każda materia przejawia dualizm podobny do fotonów<ref name=EisbergResnick>{{cytuj książkę |autor = R. Eisberg, R. Resnick |tytuł = Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles |rok = 1985 |wydanie = 2 |rozdział = Chapter 3 – de Broglie’s Postulate–Wavelike Properties of Particles |wydawca = John Wiley & Sons |isbn=0-471-87373-X |język = en}}</ref>. Według de&nbsp;Broglie’a dla wszelkiej materii i promieniowania zależność energii <math>E</math> cząstki i częstotliwości fali z nią stowarzyszonej opisuje równanie Plancka:
: <math>E=h\nu,</math>

a związek pędu cząstki z długością fali opisuje [[Fale materii|równanie de Broglie’a]]
: <math>p=\frac{h}{\lambda},</math>

gdzie <math>h</math> to [[stała Plancka]].

Ważny wkład w doświadczenie Davissona i Germera wniosły prowadzone w [[Getynga|Getyndze]] w 1920 roku prace [[Walter M. Elsasser|Waltera M. Elsassera]], który zaznaczył, że falowa natura materii może być badana doświadczalnie przez rozpraszanie elektronów na [[Ciało krystaliczne|ciałach krystalicznych]], podobnie do doświadczeń potwierdzających falową naturę [[Promieniowanie rentgenowskie|promieniowania rentgenowskiego]] rozpraszanego na ciałach krystalicznych<ref name=EisbergResnick /><ref>{{cytuj książkę |autor = H. Rubin |tytuł = Biographical Memoirs |url = http://www.nap.edu/openbook.php?record_id=4990&page=103 |rok = 1995 |rozdział = Walter M. Elsasser |tom = 68 |wydawca = National Academy Press |isbn=0-309-05238-6 |język = en}}</ref>.

Sugestia Elsassera została przekazana przez jego starszego kolegę (późniejszego laureata Nagrody Nobla) [[Max Born|Maxa Borna]] do fizyków w Anglii. Kiedy przeprowadzono doświadczenie Davissona i Germera, jego wyniki zostały już wyjaśnione przez propozycje Elsassera. Jednak początkową intencją w doświadczeniu Davissona i Germera nie było potwierdzenie [[Fale materii|hipotezy de Broglie’a]], lecz raczej badanie powierzchni niklu.

W 1927 roku w [[Bell Labs]], Clinton Davisson i Lester Germer skierowali strumień wolno poruszających się elektronów na tarczę z krystalicznego [[nikiel|niklu]]. Gdy dokonywali pomiaru intensywności odbitych elektronów w zależności od kąta, okazało się, że ma ona taki sam wzór dyfrakcyjny jak [[Prawo Bragga|przewidziany przez Bragga]] dla [[Promieniowanie rentgenowskie|promieniowania rentgenowskiego]]. Taki sam eksperyment wykonał niezależnie [[George Thomson]], za co razem z Davissonem zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1937 roku<ref name=EisbergResnick /><ref>{{cytuj |url = http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/ |tytuł=The Nobel Prize in Physics 1937 |cytat = Clinton Joseph Davisson and George Paget Thomson for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals |wydawca = The Nobel Foundation}}</ref>. Doświadczenie Davissona i Germera potwierdziło hipotezę de Broglie’a, że materia przejawia naturę falową. Ten eksperyment wraz ze [[Zjawisko Comptona|zjawiskiem Comptona]] odkrytym przez [[Arthur Compton|Arthura Comptona]] (który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1927 roku)<ref>{{cytuj |url = http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1927/ |tytuł=The Nobel Prize in Physics 1927 |cytat = Arthur Holly Compton for his discovery of the effect named after him and Charles Thomson Rees Wilson for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour |wydawca = The Nobel Foundation |język = en}}</ref> spowodowały, że hipoteza [[dualizm korpuskularno-falowy|dualizmu korpuskularno-falowego]] stała się podstawą teorii kwantowej.

== Eksperyment ==
Rzeczywistym celem Davissona i Germera było badanie powierzchni płytki niklu za pomocą strumienia elektronów skierowanego na płytkę i obserwacja, ile elektronów się od niej odbija pod różnymi kątami. Oczekiwali oni, że nawet najbardziej gładka powierzchnia kryształu będzie dla elektronów zbyt szorstka i strumień po odbiciu będzie rozproszony<ref name="upe11">Hugh D. Young, Roger A. Freedman: ''University Physics, Ed. 11.'' Pearson Education, Addison Wesley, San Fransisco 2004, {{ISBN|0-321-20469-7}}, s. 1493–1494.</ref>.

W eksperymencie użyto działa elektronowego kierującego prostopadle strumień elektronów na płytkę kryształu niklu. Doświadczenie zawierało [[działo elektronowe]] składające się z żarnika emitującego termicznie wzbudzone elektrony, które były następnie przyspieszane dzięki różnicy potencjałów uzyskując pewną [[Energia kinetyczna|energię kinetyczną]] w kierunku kryształu niklu. Aby uniknąć zderzeń elektronów z innymi cząsteczkami po drodze do powierzchni niklu, doświadczenie przeprowadzono w [[komora próżniowa|komorze próżniowej]]. Detektor rozproszonych elektronów mógł być ustawiany pod różnymi kątami względem badanej powierzchni kryształu oraz dodatkowo był tak zaprojektowany, aby reagować tylko na elektrony rozproszone w odbiciu sprężystym.

Podczas eksperymentu wydarzył się wypadek, w którym do komory dostało się powietrze powodując utlenienie się powierzchni niklu. Aby usunąć tlenek, Davisson i Germer ogrzali próbkę w wysokiej temperaturze, nie wiedząc, że to zmieniło poprzednią drobną polikrystaliczną strukturę niklu w duże obszary monokrystaliczne, których rozmiar był większy niż szerokość strumienia elektronów<ref name="upe11" />.

Kiedy ponownie rozpoczęli eksperyment, elektrony, które trafiły na powierzchnię, zostały rozproszone na atomach umieszczonych w strukturze krystalicznej niklu. W 1912 roku [[Max von Laue]] udowodnił, że struktura krystaliczna może służyć jako rodzaj trójwymiarowej [[Siatka dyfrakcyjna|siatki dyfrakcyjnej]]. Kąty, dla których odbicie jest najsilniejsze, określa warunek Bragga dla konstruktywnej interferencji, [[prawo Bragga]]:
: <math>n\lambda=2d\sin \left(90^\circ -\frac{\theta}{2} \right)</math>

dla <math>n=1,</math> <math>\theta=50^\circ</math> i odległości międzypłaszczyznowej w krysztale niklu (<math>d</math>&nbsp;=&nbsp;0,091 nm) uzyskanej z wcześniejszych doświadczeń nad [[Rentgenografia strukturalna|rentgenografią strukturalną]] z kryształami niklu<ref name=EisbergResnick />.

Przy zmianie napięcia przyspieszającego elektrony zmieniały się kąty, w których obserwowane były największe natężenia elektronów rozproszonych na atomach powierzchni krystalicznej. Największe natężenie było obserwowane pod kątem <math>\theta</math>&nbsp;=&nbsp;50° przy napięciu 54&nbsp;V, w którym elektrony uzyskiwały energię 54&nbsp;[[Elektronowolt|eV]]<ref name=EisbergResnick />.

Zgodnie z równaniami de Broglie’a i [[Prawo Bragga|prawem Bragga]], strumień elektronów o energii 54&nbsp;eV można interpretować jako falę o długości 0,165&nbsp;[[Nanometr|nm]]. Wynik uzyskany w doświadczeniu wyniósł 0,167&nbsp;nm, co jest bardzo bliskie przewidywaniom.

Przypadkowe odkrycie [[Dyfrakcja|dyfrakcji]] elektronów przez Davissona i Germera było pierwszym bezpośrednim dowodem potwierdzającym hipotezę de Broglie’a, że cząstki mogą mieć również właściwości falowe.

== Zobacz też ==
* [[dziesięć najpiękniejszych eksperymentów z fizyki]]

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Linki zewnętrzne ==
* {{cytuj stronę |url = http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/davger2.html |tytuł = Davisson–Germer Experiment |autor = R. Nave |praca = HyperPhysics |opublikowany = Georgia State University, Physics Departement |język = en}}

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Eksperymenty fizyczne]]