Devisson-Germer tajribasi

19-asr oxiridagi Maksvell tenglamalariga koʻra, yorugʻlik elektromagnit maydon toʻlqinlaridan, materiya esa lokalizatsiya qilingan zarrachalardan iborat deb hisoblangan. Biroq, bu Albert Eynshteynning 1905-yildagi fotoelektrik effekt haqidagi maqolasida shubha ostiga olindi, u yorugʻlikni diskret va ichki energiya kvantlari (hozirda fotonlar deb ataladi) deb taʼriflagan, bu unga 1921-yilda fizika boʻyicha Nobel mukofotini qoʻlga kiritishiga sabab boʻlgan. 1924-yilda Lui de Broyl toʻlqin-zarracha ikkilik nazariyasiga oid dissertatsiyasini taqdim etdi, u barcha materiya fotonlarning toʻlqin-zarracha dualizmini aks ettiradi degan gʻoyani ilgari surdi. De Broylning fikriga koʻra, barcha moddalar uchun ham, radiatsiya uchun ham energiya $E$ zarrachaning toʻlqin chastotasi bilan bogʻliq edi $\nu$ Plank munosabati boʻyicha:

$E=h\nu$

Va bu zarrachaning impulsi $p$ uning toʻlqin uzunligi bilan hozir de Broyl munosabati deb nomlanuvchi munosabat bilan bogʻliq edi:

$\lambda ={\frac {h}{p}},$

Bu yerda h — Plank doimiysi .

Devisson-Germer tajribasiga 1920-yillarda Gettingenda Valter M. Elsasser muhim hissa qoʻshgan boʻlib, u moddaning toʻlqinga oʻxshash tabiatini xuddi toʻlqinsimon tabiat kabi kristall qattiq jismlarda elektron sochish tajribalari orqali oʻrganish mumkinligini taʼkidlagan. Rentgen-nurlarining mavjudligi kristalli qattiq jismlarda rentgen nurlarining tarqalishi tajribalari orqali tasdiqlangan.

Elsasserning bu taklifini uning yaqin hamkasbi (keyinchalik Nobel mukofoti sovrindori) Maks Born Angliyadagi fiziklarga yetkazdi. Devisson va Germer tajribasi amalga oshirilganda, eksperiment natijalari Elsasser taklifi bilan tushuntirildi. Ammo, Devisson va Germer tajribasining dastlabki maqsadi de Broyl gipotezasini tasdiqlash emas, balki nikel sirtini oʻrganish edi.

Manxettendagi Amerika fiziklar jamiyatining lavhasi eksperimentga bagʻishlangan

1927-yilda Bell laboratoriyasida Klinton Devisson va Lester Germer kristalli nikel nishoniga sekin harakatlanuvchi elektronlarni otdilar. Koʻzda tutilgan elektron intensivligining burchakka bogʻliqligi oʻlchandi va rentgen nurlari uchun Bragg tomonidan bashorat qilinganiga oʻxshash diffraktsiya naqshiga ega ekanligi aniqlandi; baʼzi kichik, ammo sezilarli farqlar oʻrtacha potentsialga bogʻliq edi, bu Hans Bethe oʻzining toʻliqroq tahlilida koʻrsatdi. Shu bilan birga , Jorj Paget Tomson difraksiya naqshini hosil qilish uchun tsellyuloid plyonkalar orqali elektronlarni otishning xuddi shunday taʼsirini mustaqil ravishda namoyish etdi va Devisson va Tomson 1937-yilda fizika boʻyicha Nobel mukofotiga sazovor boʻlishdi Devisson-Germer tajribasi materiyaning toʻlqinga oʻxshash xatti-harakati borligi haqidagi de Broyl gipotezasini tasdiqladi. Bu Artur Kompton (1927-yilda fizika boʻyicha Nobel mukofotini qoʻlga kiritgan) tomonidan kashf etilgan Kompton effekti bilan birgalikda kvant nazariyasining asosiy bosqichi boʻlgan toʻlqin-zarracha dualizmi gipotezasini asoslab berdi.

Dastlabki tajribalar

Devisson 1921-yilda elektron bombardimon va ikkilamchi elektron emissiyasini oʻrganish boʻyicha ish boshladi. Bir qator tajribalar 1925-yilgacha davom etdi.

1923-yilgacha Devisson Charlz X. Kunsman bilan elektron bombardimonning volframga taʼsirini aniqlash ustida ishlagan va ular elektronlarning 1% elastik sochilishda elektron tabanchadan toʻgʻridan-toʻgʻri orqaga qaytganini payqashgan. Bu kichik, ammo kutilmagan natija Devissonni atomning elektron konfiguratsiyasini Rezerford alfa zarrachalarining tarqalishi yadroni qanday tekshirganiga oʻxshash tarzda tekshirishi mumkinligi haqidagi nazariyaga olib keldi. Ular yuqori vakuumga oʻtishdi va nikelni boshqa turli metallar bilan bir qatorda taʼsirchan natijalarga olib kelishdi.

Eksperimental sozlash

1924-yil oktyabr oyida Germer eksperimentga qoʻshilganida, Devissonning asosiy maqsadi nikel boʻlagi yuzasini elektronlar nurini sirtga yoʻnaltirish va qancha elektronning turli burchaklarda sakrashini kuzatish orqali oʻrganish edi. Ular elektronlarning kichik oʻlchamlari tufayli hatto eng silliq kristall yuzasi ham juda dagʻal boʻlishini va shuning uchun elektron nurning tarqoq aks etishini kutishgan.

Tajriba kristal yuzasiga perpendikulyar boʻlgan nikel kristaliga elektron nurni (elektron quroldan, elektrostatik zarrachalar tezlatgichidan) otish va detektor va nikel oʻrtasidagi burchak kabi aks ettirilgan elektronlar sonining qanday oʻzgarishini oʻlchashdan iborat edi. Elektron tabanchasi qizdirilgan volfram filamenti boʻlib, u termal qoʻzgʻaluvchan elektronlarni chiqaradi, ular keyinchalik elektr potentsiallari farqi orqali tezlashadi va ularga nikel kristaliga maʼlum miqdorda kinetik energiya beradi. Elektronlarning sirtga qarab boshqa atomlar bilan toʻqnashuvini oldini olish uchun tajriba vakuum kamerasida oʻtkazildi. Turli burchaklarda tarqalgan elektronlar sonini oʻlchash uchun kristall atrofida yoy boʻylab harakatlanishi mumkin boʻlgan Faraday kubogi elektron detektori ishlatilgan. Detektor faqat elastik tarzda tarqalgan elektronlarni qabul qilish uchun moʻljallangan.

Tajriba davomida havo tasodifan kameraga kirib, nikel yuzasida oksidli plyonka hosil qildi. Oksidni olib tashlash uchun Davisson va Germer namunani yuqori haroratli pechda qizdirdilar, sababi bu nikelning ilgari polikristal strukturasi elektron nurning kengligi boʻylab kristall tekisliklari uzluksiz boʻlgan katta monokristalli maydonlarni hosil qilishiga olib kelgan edi.

Ular tajribani yana boshlaganlarida va elektronlar sirtga urilganda, ular kristalning kristal tekisliklarida (shuning uchun atomlar muntazam ravishda joylashgan) nikel atomlari tomonidan tarqaldi. Bu, 1925-yilda, oʻnta kristalli maydonni keltirib chiqaradigan isitish tufayli kutilmagan va oʻzaro bogʻliq boʻlmagan choʻqqilarga ega boʻlgan difraksiya naqshini yaratdi. Ular tajribani bitta kristallga oʻzgartirib, yana boshlashdi.

Muvaffaqiyatlari

Ikkinchi asal oyida Devisson 1926-yil yozida Britaniya Fanni rivojlantirish assotsiatsiyasining Oksford yigʻilishida qatnashdi. Ushbu uchrashuvda u kvant mexanikasidagi soʻnggi yutuqlar haqida bilib oldi. Devissonni hayratda qoldirgan Maks Born 1923-yilda Devissonning platina boʻyicha Kunsman bilan olib borgan tadqiqotidagi korrelyatsiya qilinmagan difraksiya egri chizigʻidan foydalangan maʼruza oʻqidi, bu maʼlumotlardan Devisson bilmagan de Broyl gipotezasini tasdiqlash sifatida foydalangan.

Keyin Devisson oldingi yillarda boshqa olimlar — Valter Elsasser, E. G. Daymond va Blekkett, Jeyms Chadvik va Charlz Ellis ham xuddi shunday difraksiya tajribalarini oʻtkazishga urinib koʻrishganini, ammo yetarlicha past vakuum hosil qila olmaganliklarini yoki kerak boʻlgan kichik intensivlikdagi nurlarni aniqlay olmaganliklarini bilib oldilar.

Qoʻshma Shtatlarga qaytib, Devisson quvur dizayni va detektorni oʻrnatishga oʻzgartirishlar kiritdi, bu esa bir-biriga qoʻshimcha ravishda azimutni qoʻshdi. Quyidagi tajribalar 65 V da kuchli signal choʻqqisini yaratdi va burchak th=45°. U tabiatga „Nikelning yagona kristalli orqali elektronlarning tarqalishi“ nomli eslatmani nashr etdi.

Savollarga javob berish kerak edi va tajriba 1927-yilgacha davom etdi, chunki Devisson endi de Broyl formulasi bilan tanish edi va oʻzgargan elektron toʻlqin uzunligi uchun biron bir taʼsirni aniqlash mumkinmi yoki yoʻqligini aniqlash uchun testni ishlab chiqdi. $\lambda$ de Broyl munosabatlariga koʻra, $\lambda =h/(2mE)^{1/2}$ Ular qogʻozda koʻrsatilgandek 65 V emas, balki 78 V da choʻqqi hosil qilishi kerakligini bilishgan. De Broyl formulasi bilan bogʻlanmaganligi sababli, ularning qogʻozi 0,7 ga maxsus qisqarish faktorini kiritdi, ammo bu 13 ta nurdan faqat 8 tasini tushuntira oldi.

Elektron tabancaga qoʻllaniladigan kuchlanishni oʻzgartirish orqali atom yuzasi tomonidan difraksiyalangan elektronlarning maksimal intensivligi turli burchaklarda topildi. Eng yuqori intensivlik 54 V kuchlanishli th=50° burchak ostida kuzatildi, elektronlarga 6982865175302980000♠54 eV kinetik energiya beradi.

Maks fon Laue 1912-yilda isbotlaganidek, davriy kristall struktura uch oʻlchovli difraksiya panjarasining bir turi boʻlib xizmat qiladi. Maksimal aks ettirish burchaklari massivdan konstruktiv interferensiya uchun Bragg sharti, Bragg qonuni bilan berilgan:

$n\lambda =2d\sin \left(90^{\circ }-{\frac {\theta }{2}}\right)$,

n = 1, θ = 50° uchun va kristalli nikel boʻyicha oldingi rentgen nurlarini tarqatish tajribalaridan olingan nikelning kristalli tekisliklari oraligʻi uchun (d = 0.091 nm).

De Broyl tenglamasiga koʻra, kinetik energiyasi 6982865175302980000♠54 eV boʻlgan elektronlar toʻlqin uzunligi 6990167000000000000♠0.167 nm ga teng. Eksperimental natija 6990165000000000000♠0.165 nm edi. Prognozlarga chambarchas mos keladigan Bragg qonuni orqali Devisson va Germer 1928-yilda Nobel mukofoti sovrindori boʻlgan maqolasiga yozgan keyingi maqolalarida taʼkidlaganidek, „Bu natijalar, shu jumladan maʼlumotlarning Bragg formulasini qondira olmasligi elektron difraksiya boʻyicha ilgari oʻtkazilgan tajribalarimizda olingan natijalarga mos keladi. Koʻzgu maʼlumotlari Bragg munosabatini qondira olmaydi, chunki elektron diffraktsiya nurlari Laue nurlarining analoglari bilan mos kelmaydi“ Biroq, ular qoʻshimcha qiladilar: „Hisoblangan toʻlqin uzunliklari qoʻshimcha jadvalda koʻrsatilganidek, h/mv ning nazariy qiymatlari bilan juda mos keladi“ Shunday qilib, elektron energiya difraksiyasi Bragg qonuniga rioya qilmasa ham, u de Broylning zarralar toʻlqin kabi harakat qilish haqidagi nazariyasini tasdiqladi. Toʻliq tushuntirish Shredinger tenglamasini elektron difraksiyasi uchun yechgan Hans Bethe tomonidan berilgan.

Davisson va Germerning tasodifiy elektronlar difraksiyasini kashf qilishlari de Broylning zarralar ham toʻlqin xossalariga ega boʻlishi mumkinligi haqidagi gipotezasini tasdiqlovchi birinchi bevosita dalil boʻlib xizmat qildi.

Devissonning yutugʻi: asosiy eʼtibori tadqiqotlarni oʻtkazish uchun resurslari, hamkasblarining tajribasi va omad — bularning barchasi eksperimental muvaffaqiyatga yordam berdi.

Amaliyotdagi oʻrni

Davisson va Germer tomonidan qoʻllanilgan oʻziga xos yondashuv past energiyali elektronlardan foydalangan, bu hozirgi vaqtda Past energiyali elektron diffraktsiyasi (LEED) deb ataladi. Koʻp oʻtmay, ultra yuqori vakuum texnologiyalaridan foydalanadigan eksperimental usullarni ishlab chiqish kristallangan elementlarning sirtini va atomlar orasidagi masofani oʻrganish uchun LEED diffraktsiyasidan keng foydalanish imkonini berdi. Yuqori energiyali elektronlarni turli yoʻllar bilan diffraksiya uchun ishlatish usullari ancha oldin ishlab chiqilgan.

Manbalar

• G.Ahmedova „Atom fizikasi“
• K.Krane „Introduction nuclear physics“

Havolalar

• R. Nave. „Davisson–Germer Experiment“. HyperPhysics. Georgia State University, Physics Departement.