Devisson-Germer tajribasi

19-аср охиридаги Максвелл тенгламаларига кўра, ёруғлик электромагнит майдон тўлқинларидан, материя эса локализация қилинган заррачалардан иборат деб ҳисобланган. Бироқ, бу Алберт Эйнштейннинг 1905-йилдаги фотоэлектрик эффект ҳақидаги мақоласида шубҳа остига олинди, у ёруғликни дискрет ва ички энергия квантлари (ҳозирда фотонлар деб аталади) деб таърифлаган, бу унга 1921-йилда физика бўйича Нобел мукофотини қўлга киритишига сабаб бўлган. 1924-йилда Луи де Бройл тўлқин-заррача иккилик назариясига оид диссертациясини тақдим этди, у барча материя фотонларнинг тўлқин-заррача дуализмини акс эттиради деган ғояни илгари сурди. Де Бройлнинг фикрига кўра, барча моддалар учун ҳам, радиация учун ҳам энергия ${\дисплайстйле Э}$ заррачанинг тўлқин частотаси билан боғлиқ эди ${\дисплайстйле \ну}$ Планк муносабати бўйича:

${\дисплайстйле Э=ҳ\ну}$

Ва бу заррачанинг импулси ${\дисплайстйле п}$ унинг тўлқин узунлиги билан ҳозир де Бройл муносабати деб номланувчи муносабат билан боғлиқ эди:

${\дисплайстйле \ламбда =\фраc{ҳ}{п},}$

Бу ерда $ҳ$ — Планк доимийси .

Девиссон-Гермер тажрибасига 1920-йилларда Геттингенда Валтер М. Элсассер муҳим ҳисса қўшган бўлиб, у модданинг тўлқинга ўхшаш табиатини худди тўлқинсимон табиат каби кристалл қаттиқ жисмларда электрон сочиш тажрибалари орқали ўрганиш мумкинлигини таъкидлаган. Рентген-нурларининг мавжудлиги кристалли қаттиқ жисмларда рентген нурларининг тарқалиши тажрибалари орқали тасдиқланган.

Элсассернинг бу таклифини унинг яқин ҳамкасби (кейинчалик Нобел мукофоти совриндори) Макс Борн Англиядаги физикларга етказди. Девиссон ва Гермер тажрибаси амалга оширилганда, эксперимент натижалари Элсассер таклифи билан тушунтирилди. Аммо, Девиссон ва Гермер тажрибасининг дастлабки мақсади де Бройл гипотезасини тасдиқлаш эмас, балки никел сиртини ўрганиш эди.

1927-йилда Белл лабораториясида Клинтон Девиссон ва Лестер Гермер кристалли никел нишонига секин ҳаракатланувчи электронларни отдилар. Кўзда тутилган электрон интенсивлигининг бурчакка боғлиқлиги ўлчанди ва рентген нурлари учун Брагг томонидан башорат қилинганига ўхшаш диффракция нақшига эга эканлиги аниқланди; баъзи кичик, аммо сезиларли фарқлар ўртача потенциалга боғлиқ эди, бу Ҳанс Бетҳе ўзининг тўлиқроқ таҳлилида кўрсатди. Шу билан бирга , Жорж Пагет Томсон дифраксия нақшини ҳосил қилиш учун целлюлоид плёнкалар орқали электронларни отишнинг худди шундай таъсирини мустақил равишда намойиш этди ва Девиссон ва Томсон 1937-йилда физика бўйича Нобел мукофотига сазовор бўлишди Девиссон-Гермер тажрибаси материянинг тўлқинга ўхшаш хатти-ҳаракати борлиги ҳақидаги де Бройл гипотезасини тасдиқлади. Бу Артур Комптон (1927-йилда физика бўйича Нобел мукофотини қўлга киритган) томонидан кашф этилган Комптон эффекти билан биргаликда квант назариясининг асосий босқичи бўлган тўлқин-заррача дуализми гипотезасини асослаб берди.

Дастлабки тажрибалар

Девиссон 1921-йилда электрон бомбардимон ва иккиламчи электрон эмиссиясини ўрганиш бўйича иш бошлади. Бир қатор тажрибалар 1925-йилгача давом этди.

1923-йилгача Девиссон Чарлз Х. Кунсман билан электрон бомбардимоннинг волфрамга таъсирини аниқлаш устида ишлаган ва улар электронларнинг 1% эластик сочилишда электрон табанчадан тўғридан-тўғри орқага қайтганини пайқашган. Бу кичик, аммо кутилмаган натижа Девиссонни атомнинг электрон конфигурациясини Резерфорд алфа заррачаларининг тарқалиши ядрони қандай текширганига ўхшаш тарзда текшириши мумкинлиги ҳақидаги назарияга олиб келди. Улар юқори вакуумга ўтишди ва никелни бошқа турли металлар билан бир қаторда таъсирчан натижаларга олиб келишди.

1924-йил октябр ойида Гермер экспериментга қўшилганида, Девиссоннинг асосий мақсади никел бўлаги юзасини электронлар нурини сиртга йўналтириш ва қанча электроннинг турли бурчакларда сакрашини кузатиш орқали ўрганиш эди. Улар электронларнинг кичик ўлчамлари туфайли ҳатто энг силлиқ кристалл юзаси ҳам жуда дағал бўлишини ва шунинг учун электрон нурнинг тарқоқ акс этишини кутишган.

Тажриба кристал юзасига перпендикуляр бўлган никел кристалига электрон нурни (электрон қуролдан, электростатик заррачалар тезлатгичидан) отиш ва детектор ва никел ўртасидаги бурчак каби акс эттирилган электронлар сонининг қандай ўзгаришини ўлчашдан иборат эди. Электрон табанчаси қиздирилган волфрам филаменти бўлиб, у термал қўзғалувчан электронларни чиқаради, улар кейинчалик электр потенциаллари фарқи орқали тезлашади ва уларга никел кристалига маълум миқдорда кинетик энергия беради. Электронларнинг сиртга қараб бошқа атомлар билан тўқнашувини олдини олиш учун тажриба вакуум камерасида ўтказилди. Турли бурчакларда тарқалган электронлар сонини ўлчаш учун кристалл атрофида ёй бўйлаб ҳаракатланиши мумкин бўлган Фарадай кубоги электрон детектори ишлатилган. Детектор фақат эластик тарзда тарқалган электронларни қабул қилиш учун мўлжалланган.

Тажриба давомида ҳаво тасодифан камерага кириб, никел юзасида оксидли плёнка ҳосил қилди. Оксидни олиб ташлаш учун Дависсон ва Гермер намунани юқори ҳароратли печда қиздирдилар, сабаби бу никелнинг илгари поликристал структураси электрон нурнинг кенглиги бўйлаб кристалл текисликлари узлуксиз бўлган катта монокристалли майдонларни ҳосил қилишига олиб келган эди.

Улар тажрибани яна бошлаганларида ва электронлар сиртга урилганда, улар кристалнинг кристал текисликларида (шунинг учун атомлар мунтазам равишда жойлашган) никел атомлари томонидан тарқалди. Бу, 1925-йилда, ўнта кристалли майдонни келтириб чиқарадиган иситиш туфайли кутилмаган ва ўзаро боғлиқ бўлмаган чўққиларга эга бўлган дифраксия нақшини яратди. Улар тажрибани битта кристаллга ўзгартириб, яна бошлашди.

Муваффақиятлари

Иккинчи асал ойида Девиссон 1926-йил ёзида Британия Фанни ривожлантириш ассоциациясининг Оксфорд йиғилишида қатнашди. Ушбу учрашувда у квант механикасидаги сўнгги ютуқлар ҳақида билиб олди. Девиссонни ҳайратда қолдирган Макс Борн 1923-йилда Девиссоннинг платина бўйича Кунсман билан олиб борган тадқиқотидаги корреляция қилинмаган дифраксия эгри чизиғидан фойдаланган маъруза ўқиди, бу маълумотлардан Девиссон билмаган де Бройл гипотезасини тасдиқлаш сифатида фойдаланган.

Кейин Девиссон олдинги йилларда бошқа олимлар — Валтер Элсассер, Э. Г. Даймонд ва Блеккетт, Жеймс Чадвик ва Чарлз Эллис ҳам худди шундай дифраксия тажрибаларини ўтказишга уриниб кўришганини, аммо етарлича паст вакуум ҳосил қила олмаганликларини ёки керак бўлган кичик интенсивликдаги нурларни аниқлай олмаганликларини билиб олдилар.

Қўшма Штатларга қайтиб, Девиссон қувур дизайни ва детекторни ўрнатишга ўзгартиришлар киритди, бу эса бир-бирига қўшимча равишда азимутни қўшди. Қуйидаги тажрибалар 65 В да кучли сигнал чўққисини яратди ва бурчак тҳ=45°. У табиатга „Никелнинг ягона кристалли орқали электронларнинг тарқалиши“ номли эслатмани нашр этди.

Саволларга жавоб бериш керак эди ва тажриба 1927-йилгача давом этди, чунки Девиссон энди де Бройл формуласи билан таниш эди ва ўзгарган электрон тўлқин узунлиги учун бирон бир таъсирни аниқлаш мумкинми ёки йўқлигини аниқлаш учун тестни ишлаб чиқди. ${\дисплайстйле \ламбда}$ де Бройл муносабатларига кўра, ${\дисплайстйле \ламбда= ҳ/(2ме)^{1/2}}$ Улар қоғозда кўрсатилгандек 65 В эмас, балки 78 В да чўққи ҳосил қилиши кераклигини билишган. Де Бройл формуласи билан боғланмаганлиги сабабли, уларнинг қоғози 0,7 га махсус қисқариш факторини киритди, аммо бу 13 та нурдан фақат 8 тасини тушунтира олди.

Электрон табанcага қўлланиладиган кучланишни ўзгартириш орқали атом юзаси томонидан дифраксияланган электронларнинг максимал интенсивлиги турли бурчакларда топилди. Энг юқори интенсивлик 54 В кучланишли тҳ=50° бурчак остида кузатилди, электронларга 6982865175302980000♠54 эВ кинетик энергия беради.

Макс фон Лауэ 1912-йилда исботлаганидек, даврий кристалл структура уч ўлчовли дифраксия панжарасининг бир тури бўлиб хизмат қилади. Максимал акс эттириш бурчаклари массивдан конструктив интерференсия учун Брагг шарти, Брагг қонуни билан берилган:

${\дисплайстйле н\ламбда=2д\син \лефт(90^{\cирc} -\фраc{\тҳета}{2} \ригҳт)}$ ,

$н = 1$ , $θ = 50°$ учун ва кристалли никел бўйича олдинги рентген нурларини тарқатиш тажрибаларидан олинган никелнинг кристалли текисликлари оралиғи учун ( $д = 0.091 нм$ ).

Де Бройл тенгламасига кўра, кинетик энергияси 6982865175302980000♠54 эВ бўлган электронлар тўлқин узунлиги 6990167000000000000♠0.167 нм га тенг. Экспериментал натижа 6990165000000000000♠0.165 нм эди. Прогнозларга чамбарчас мос келадиган Брагг қонуни орқали Девиссон ва Гермер 1928-йилда Нобел мукофоти совриндори бўлган мақоласига ёзган кейинги мақолаларида таъкидлаганидек, „Бу натижалар, шу жумладан маълумотларнинг Брагг формуласини қондира олмаслиги электрон дифраксия бўйича илгари ўтказилган тажрибаларимизда олинган натижаларга мос келади. Кўзгу маълумотлари Брагг муносабатини қондира олмайди, чунки электрон диффракция нурлари Лауэ нурларининг аналоглари билан мос келмайди“ Бироқ, улар қўшимча қиладилар: „Ҳисобланган тўлқин узунликлари қўшимча жадвалда кўрсатилганидек, ҳ/мв нинг назарий қийматлари билан жуда мос келади“ Шундай қилиб, электрон энергия дифраксияси Брагг қонунига риоя қилмаса ҳам, у де Бройлнинг зарралар тўлқин каби ҳаракат қилиш ҳақидаги назариясини тасдиқлади. Тўлиқ тушунтириш Шредингер тенгламасини электрон дифраксияси учун ечган Ҳанс Бетҳе томонидан берилган.

Дависсон ва Гермернинг тасодифий электронлар дифраксиясини кашф қилишлари де Бройлнинг зарралар ҳам тўлқин хоссаларига эга бўлиши мумкинлиги ҳақидаги гипотезасини тасдиқловчи биринчи бевосита далил бўлиб хизмат қилди.

Девиссоннинг ютуғи: асосий эътибори тадқиқотларни ўтказиш учун ресурслари, ҳамкасбларининг тажрибаси ва омад — буларнинг барчаси экспериментал муваффақиятга ёрдам берди.

Амалиётдаги ўрни

Дависсон ва Гермер томонидан қўлланган ўзига хос ёндашув паст энергияли электронлардан фойдаланган, бу ҳозирги вақтда Паст энергияли электрон диффракцияси (ЛЕЭД) деб аталади. Кўп ўтмай, ултра юқори вакуум технологияларидан фойдаланадиган экспериментал усулларни ишлаб чиқиш кристалланган элементларнинг сиртини ва атомлар орасидаги масофани ўрганиш учун ЛЕЭД диффракциясидан кенг фойдаланиш имконини берди. Юқори энергияли электронларни турли йўллар билан диффраксия учун ишлатиш усуллари анча олдин ишлаб чиқилган.

Манбалар

Г.Аҳмедова „Атом физикаси“
К.Кране „Интродуcтион нуcлеар пҳйсиcс“

Ҳаволалар

Р. Наве. „Дависсон–Гермер Эхперимент“. ҲйперПҳйсиcс. Георгиа Стате Университй, Пҳйсиcс Департемент.