Experimento Davisson-Germer
El experimento Davisson-Germer fue un experimento realizado entre 1923 y 1927 por Clinton Davisson y Lester Germer en Western Electric (más tarde Bell Labs), en el que los electrones, dispersados por la superficie de un cristal de níquel metálico , mostró un patrón de difracción. Esto confirmó la hipótesis, avanzada por Louis de Broglie en 1924, de la dualidad onda-partícula, y también el enfoque de la mecánica ondulatoria de la ecuación de Schrödinger. Fue un hito experimental en la creación de la mecánica cuántica.
Historia y visión general
Según las ecuaciones de Maxwell a finales del siglo XIX, se pensaba que la luz consistía en olas de campos electromagnéticos y se pensaba que la materia consistía en partículas localizadas. Sin embargo, esto fue desafiado en el documento 1905 de Albert Einstein sobre el efecto fotoeléctrico, que describió la luz como quanta discreta y localizada de energía (ahora llamada fotones), que le ganó el Premio Nobel de Física en 1921. En 1924 Louis de Broglie presentó su tesis relativa a la teoría de la dualidad entre ondas y partículas, que propuso la idea de que toda la materia muestra la dualidad de partículas de onda de fotones. Según de Broglie, por todo asunto y por radiación, la energía de la partícula estaba relacionada con la frecuencia de su onda asociada por la relación Planck:
Una contribución importante al experimento Davisson-Germer fue realizada por Walter M. Elsasser en Göttingen en la década de 1920, quien señaló que la naturaleza ondulatoria de la materia podría investigarse mediante experimentos de dispersión de electrones en sólidos cristalinos, al igual que la onda La naturaleza similar a la de los rayos X se confirmó mediante experimentos de dispersión de rayos X en sólidos cristalinos.
Esta sugerencia de Elsasser fue luego comunicada por su colega principal (y más tarde ganador del Premio Nobel) Max Born a físicos en Inglaterra. Cuando se realizó el experimento de Davisson y Germer, los resultados del experimento fueron explicados por la propuesta de Elsasser. Sin embargo, la intención inicial del experimento de Davisson y Germer no era confirmar la hipótesis de De Broglie, sino estudiar la superficie del níquel.
En 1927, en los Laboratorios Bell, Clinton Davisson y Lester Germer dispararon electrones de movimiento lento contra un objetivo de níquel cristalino. Se midió la dependencia angular de la intensidad de los electrones reflejados y se determinó que tenía un patrón de difracción similar a los predichos por Bragg para los rayos X; algunas diferencias pequeñas, pero significativas, se debieron al potencial medio que mostró Hans Bethe en su análisis más completo. Al mismo tiempo, George Paget Thomson y su alumno Alexander Reid demostraron de forma independiente el mismo efecto disparando electrones a través de películas de celuloide para producir un patrón de difracción, y Davisson y Thomson compartieron el Premio Nobel de Física en 1937. El experimento de Davisson-Germer confirmó el experimento de De Broglie. Hipótesis de que la materia tiene un comportamiento ondulatorio. Esto, en combinación con el efecto Compton descubierto por Arthur Compton (quien ganó el Premio Nobel de Física en 1927), estableció la hipótesis de la dualidad onda-partícula, que fue un paso fundamental en la teoría cuántica.
Primeros experimentos
Davisson comenzó a trabajar en 1921 para estudiar el bombardeo de electrones y las emisiones secundarias de electrones. Una serie de experimentos continuaron hasta 1925.
Antes de 1923, Davisson había estado trabajando con Charles H. Kunsman en la detección de los efectos del bombardeo de electrones sobre el tungsteno cuando notaron que el 1% de los electrones rebotaban directamente hacia el cañón de electrones en dispersión elástica. Este pequeño pero inesperado resultado llevó a Davisson a teorizar que podía examinar la configuración electrónica del átomo de manera análoga a cómo la dispersión de partículas alfa de Rutherford había examinado el núcleo. Cambiaron a alto vacío y utilizaron níquel junto con varios otros metales con resultados poco impresionantes.
En octubre de 1924, cuando Germer se unió al experimento, el objetivo real de Davisson era estudiar la superficie de un trozo de níquel dirigiendo un haz de electrones hacia la superficie y observando cuántos electrones rebotaban en varios ángulos. Esperaban que, debido al pequeño tamaño de los electrones, incluso la superficie del cristal más lisa sería demasiado rugosa y, por tanto, el haz de electrones experimentaría una reflexión difusa.
El experimento consistió en disparar un haz de electrones (desde un cañón de electrones, un acelerador de partículas electrostático) a un cristal de níquel, perpendicular a la superficie del cristal, y medir cómo el número de electrones reflejados variaba según el ángulo entre el detector y la superficie del níquel varió. El cañón de electrones era un filamento de tungsteno calentado que liberaba electrones excitados térmicamente que luego eran acelerados mediante una diferencia de potencial eléctrico, dándoles una cierta cantidad de energía cinética, hacia el cristal de níquel. Para evitar colisiones de los electrones con otros átomos en su camino hacia la superficie, el experimento se llevó a cabo en una cámara de vacío. Para medir el número de electrones que estaban dispersos en diferentes ángulos, se utilizó un detector de electrones de copa de Faraday que podía moverse siguiendo una trayectoria de arco alrededor del cristal. El detector fue diseñado para aceptar únicamente electrones dispersos elásticamente.
Durante el experimento, el aire entró accidentalmente en la cámara, produciendo una película de óxido en la superficie del níquel. Para eliminar el óxido, Davisson y Germer calentaron la muestra en un horno de alta temperatura, sin saber que esto causaba que la estructura anteriormente policristalina del níquel formara grandes áreas monocristalinas con planos cristalinos continuos a lo largo del ancho del haz de electrones.
Cuando comenzaron el experimento nuevamente y los electrones golpearon la superficie, fueron dispersados por átomos de níquel en los planos del cristal (por lo que los átomos estaban espaciados regularmente) del cristal. Esto, en 1925, generó un patrón de difracción con picos inesperados y no correlacionados debido al calentamiento que provocaba un área de diez cristales facetados. Cambiaron el experimento a un solo cristal y comenzaron de nuevo.
Avance
En su segunda luna de miel, Davisson asistió a la reunión de Oxford de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en el verano de 1926. En esta reunión, se enteró de los recientes avances en la mecánica cuántica. Para sorpresa de Davisson, Max Born dio una conferencia que utilizó las curvas de difracción no correlacionadas de la investigación de Davisson sobre el platino en 1923 con Kunsman, utilizando los datos como confirmación de la hipótesis de De Broglie que Davisson desconocía.
Davisson luego se enteró de que en años anteriores, otros científicos (Walter Elsasser, E. G. Dymond y Blackett, James Chadwick y Charles Ellis) habían intentado experimentos de difracción similares, pero no pudieron generar vacíos lo suficientemente bajos ni detectar los vacíos de baja intensidad. vigas necesarias.
Al regresar a los Estados Unidos, Davisson realizó modificaciones en el diseño del tubo y en el montaje del detector, agregando acimut además de colatitud. Los siguientes experimentos generaron un fuerte pico de señal a 65 V y un ángulo θ = 45°. Publicó una nota para la Naturaleza titulada "La dispersión de electrones por un único cristal de níquel".
Las preguntas todavía necesitan ser contestadas y la experimentación continuó a través de 1927, porque Davisson estaba familiarizado con la fórmula de Broglie y había diseñado la prueba para ver si cualquier efecto podría ser discernido para un cambio de longitud de onda de electrones , según la relación de Broglie, lo que ellos sabían debería crear un pico a los 78 y no 65 V como su papel había mostrado. Debido a que no se correlacionó con la fórmula de Broglie, su documento introdujo un factor de contracción ad hoc de 0.7, que, sin embargo, sólo podría explicar ocho de las trece vigas.
Al variar el voltaje aplicado al cañón de electrones, se encontró la intensidad máxima de los electrones difractados por la superficie atómica en diferentes ángulos. La intensidad más alta se observó en un ángulo θ = 50° con un voltaje de 54 V, dando a los electrones una energía cinética de 54 eV.
Como demostró Max von Laue en 1912, la estructura cristalina periódica sirve como una especie de rejilla de difracción tridimensional. Los ángulos de reflexión máxima están dados por la condición de Bragg para la interferencia constructiva de una matriz, la ley de Bragg
Según la relación de Broglie, los electrones con energía cinética de 54 eV tienen una longitud de onda de 0,167 nm. El resultado experimental fue 0,165 nm mediante la ley de Bragg, que coincidía estrechamente con las predicciones. Como afirman Davisson y Germer en su artículo de seguimiento de 1928 de su artículo ganador del Premio Nobel, "Estos resultados, incluido el hecho de que los datos no satisfacen la fórmula de Bragg, están de acuerdo con los obtenidos previamente en nuestros experimentos con electrones". difracción. Los datos de reflexión no satisfacen la relación de Bragg por la misma razón que los haces de difracción de electrones no coinciden con sus análogos de haces de Laue. Sin embargo, añaden: "Las longitudes de onda calculadas concuerdan perfectamente con los valores teóricos de h/mv como se muestra en la tabla adjunta". Entonces, aunque la difracción de energía de los electrones no sigue la ley de Bragg, confirmó la teoría de De Broglie de que las partículas se comportan como ondas. La explicación completa la proporcionó Hans Bethe, quien resolvió la ecuación de Schrödinger para el caso de la difracción de electrones.
El descubrimiento accidental de Davisson y Germer de la difracción de electrones fue la primera evidencia directa que confirma la hipótesis de De Broglie de que las partículas también pueden tener propiedades ondulatorias.
La atención de Davisson al detalle, sus recursos para realizar investigaciones básicas, la experiencia de sus colegas y la suerte contribuyeron al éxito experimental.
Aplicaciones prácticas
El enfoque específico utilizado por Davisson y Germer utilizó electrones de baja energía, lo que ahora se llama difracción de electrones de baja energía (LEED). No fue hasta mucho más tarde que el desarrollo de métodos experimentales que explotaban tecnologías de vacío ultraalto (por ejemplo, el enfoque descrito por Alpert en 1953) permitió el uso extensivo de la difracción LEED para explorar las superficies de elementos cristalizados y el espaciado entre átomos. Los métodos en los que se utilizan electrones de mayor energía para la difracción de muchas maneras diferentes se desarrollaron mucho antes.