Doświadczenie Davissona i Germera (rok 1927) – dyfrakcja elektronów na podwójnej szczelinie

W 1909 r. Albert Einstein w jednym ze swoich artykułów snuł rozważania nad kwantową teorią światła. Wielki fizyk zastanawiał się dlaczego światło składające się przecież z cząstek zachowuje się jednocześnie jak typowa fala ze wszystkimi charakterystycznymi dla niej cechami (takimi jak interferencja, dyfrakcja i inne).

Dociekania te "natchnęły" młodego francuskiego arystokratę, księcia Louisa Victora de Broglie'a, który w roku 1924 w swojej pracy doktorskiej zaproponował, aby ten dziwny podwójny charakter światła uznać za fundamentalną własność przyrody. Teorię tę można więc wykorzystać także do rozważań nad zachowaniem innych cząstek, takich jak np. elektron. Jeśli fale mogą być jednocześnie cząstkami, to symetrycznie rzecz biorąc, cząstki mogą być falami. De Broglie poszedł dalej i przedstawił także równanie opisujące zależność między energią cząstek a długością ich fali.

Były to jednak tylko dociekania teoretyczne. Brakowało doświadczenia, które potwierdziłoby te hipotezy w praktyce.

Takie doświadczenie wykonali dopiero w 1927 dwaj amerykańscy naukowcy, Clinton Davisson i Lester Germer, którzy w owym czasie pracowali w słynnym Laboratorium Bella i zajmowali się badaniem lamp próżniowych. Praca ich polegała m.in. na badaniu zachowania się powierzchni metalowych pokrytych różnymi tlenkami poddanych bombardowaniu strumieniem wolno poruszających się elektronów.

W jednym z tych eksperymentów naukowcy kierowali wiązkę elektronów w kierunku kryształu niklu (próbka miała formę małej tarczy) w wyniku czego następowała wtórna emisja elektronów z tego kryształu. Tarcza umieszczona była w specjalnie skonstruowanym urządzeniu do badania emisji, które otoczone było ekranem. Kolektor ten zbudowany był z płytki metalowej, której zadaniem było zbieranie padających na nią elektronów i pozwalał na ocenę charakteru ich rozkładu. Ekran był ruchomy i można nim było obracać wokół próbki.

Czasami w eksperymentach naukowych dużą rolę odgrywa przypadek. Tak było i tym razem. Ponieważ w czasie doświadczeń doszło do utlenienia jednej z tarczek niklu naukowcy podgrzali ją ,aby usunąć powstały na jej powierzchni tlenek. Po wznowieniu eksperymentów okazało się jednak, że ich wyniki są różne od poprzednich. Podgrzanie tarczy zmieniło właściwości materiału. Powstał jeden duży monokryształ niklu. Doświadczenie wykazało, że chociaż tak, jak przedtem elektrony dalej były emitowane w różnych kierunkach i pod różnymi kątami, to jednak dla niektórych z tych kątów emisja była wyraźnie większa.

Germera, pracującego pod kierunkiem Davissona, zastanowił rozkład elektronów powstały przy odbiciu od kryształów niklu. Uzyskany obraz zdawał się dziwnie podobny do wzorów interferencyjnych. Davisson o koncepcji de Broglie'a usłyszał w 1926 będąc na sympozjum w Anglii. Natychmiast skojarzył oba te fakty i po powrocie do USA gorączkowo zabrał się za analizowanie zgromadzonych do tej pory danych z badań. Po uważnej analizie doszedł on do wniosku, że wiązka elektronów była rozpraszana na powierzchni atomów niklu pod dokładnie takim samym kątem, który był przewidziany dla dyfrakcji promieni X zgodnie z równaniem Bragga, dla długości fali otrzymywanej z równania de Broglie'a.

Okazało się więc, że wyniki badań doskonale potwierdzają teorię de Broglie'a. Zaobserwowany przez Germera rozkład odbić elektronów to obraz interferencyjny powstały na skutek dyfrakcji fal płaskich. Elektrony zachowują się więc tak jak fale, a ich długość zależy od energii. Był to więc pierwszy "namacalny" dowód na falową naturę cząstek.

Dla celów dydaktycznych fizycy często wykorzystują eksperyment myślowy, w którym doświadczenie Younga z dyfrakcją fali na podwójnej szczelinie przenoszą w mikroświat na poziomie kwantowym, w którym wiązkę światła zastępujemy wiązką elektronów. Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, strumień cząstek powinien ulec podziałowi na dwie wiązki i słabsze strumienie powinny interferować każdy z każdym, tworząc taki sam wzór (złożony z jasnych i ciemnych kręgów) jaki byłby utworzony przez światło w makroświecie. Cząstki powinny zachowywać się jak fale.

Pośpiesznie przygotowany i opublikowany artykuł wyprzedził wyniki podobnych badań, przeprowadzane w tym samym czasie w Laboratorium im. Cavendisha w Szkocji (Wielka Brytania) przez George'a Pageta Thomsona (syna sławnego Josepha Johna Thomsona), podczas których można było zaobserwować zjawisko dyfrakcji przy bombardowaniu cienkiej folii strumieniem posiadających dużą energię elektronów. Po przejściu przez folię wiązka elektronów tworzyła na ekranie koncentryczne kręgi, przypominające bardzo wzory powstające przy naświetlaniu promieniami X powierzchni pokrytej proszkiem drobno zmielonych polikryształów (wynikiem tego typu dyfrakcji, powodowanym przez wiele przypadkowo skierowanych ziaren kryształu, są koncentrycznie położone okręgi). Przy zmianie długości fali (przez zmianę energii elektronów), Thomson obserwował proporcjonalną zmianę średnicy pierścieni. Podobnie jak dla obrazów dyfrakcyjnych powstających w sieciach krystalicznych, długość fali można obliczyć z równania Bragga znając odległość między warstwami kryształu.

Eksperymenty te dowiodły, że fale de Broglie'a nie są tylko teoretycznymi koncepcjami, ale można je także zaobserwować w praktyce. Wkład Thomsona w empiryczne badania fali elektronów został również doceniony i w 1937 roku wspólnie Davissonem otrzymał Nagrodę Nobla.


Budowa współczesnego przyrządu do badania dyfrakcji elektronów posiadających małą energię (oznaczenia: Cathode – katoda, Grid – siatka, Sample – badana próbka, Phosphor Screen – ekran pokryty fosforem, Concentric Grids – koncentryczne siatki).