Experimentul Davisson-Germer

coordonator: Prof. Bratu Rodica

Proiect realizat de: Zbîrcea Elena-Larisa Arcip Andra-Eliza Giuchi Anca-Emilia

• Ipoteza lui de Broglie a fost confirmată experimental în 1927 de către C. J. Davisson şi L.H. Germer.

Clinton Joseph Davisson S-a născut la data de 22 octombrie 1881, în Bloomington,Illinois. A absolvit liceul Bloomington în 1902 şi a intrat la Universitatea din Chicago pe baza unei burse. În 1905, la recomandarea lui Robert A.Millikan, Davisson a fost angajat de către Princeton University ca profesor de fizică.El a primit titlul de doctor în fizică la Princeton în 1911,acelaşi an în care s-a căsătorit cu sora lui Richardson, Charlotte.El a avut cu aceasta patru copii,printre care şi fizicianul american Richard Davisson. Craterul Davisson pe Lună este numit după el.Davisson, a fost un fizician american care a câştigat în 1937 Premiul Nobel pentru Fizică pentru descoperirea difracţiei electronilor.

Lester Halbert Germer S-a născut la data de 10 octombrie 1896. A fost un fizician american. În 1927 a descoperit împreună cu C.J.Davisson fenomenul de difracţie a electronilor punând astfel în evidenţă dualismul corpuscul-undă în comportarea materiei.Împreună cu Davisson reuşeşte să demonstreze proprietatea de dualitate undă-corpuscul, una din proprietăţile fundamentale ale materiei,prezisă de Louis de Broglie.Pentru aceasta, cei doi fizicieni au efectuat celebrul experiment Davisson-Germer, bombardarea cu fasciculi de electroni a unui cristal de nichel şi studierea figurilor de difracţie.Acest experiment a avut un rol important în evoluţia microscopului electronic.

Germer a mai studiat: Fenomenul de emisie termoelectrică

Coroziunea metalelor

Ipoteza lui Broigle În fizica, ipoteza de Broglie este afirmaţia că materia (orice

obiect) are o natură ondulatorie (dualitate undă-corpuscul).

• Relaţiile de Broglie arată că lungimea de undă este invers proporţională cu impulsul unei particule şi că frecvenţa este direct proporţională cu energia cinetică a particulei.

•Ipoteza a fost propusă de Louis de Broglie în 1924 în teza sa de doctorat; pentru această lucrare, de Broglie a primit premiul Nobel pentru Fizica în 1929, fiind astfel primul care a primit un Premiu Nobel pentru o teza de doctorat.

Ipoteza de Broglie, formulată în 1926, preciza că particulele trebuie să se comporte şi ca unde.

• Formula lui de Broglie a fost confirmată trei ani mai târziu pentru electroni (care au masă de repaus) cu observarea difracţiei electronilor în două experimente separate.

• La Universitatea Aberdeen, George Paget Thomson a trecut o undă de electroni printr-un film de metal subţire şi a observat şabloanele de interferenţă prezise. La Laboratoarele Bell, Clinton Joseph Davisson şi Lester Halbert Germer şi-au trecut fluxul de electroni printr-o reţea cristalină. Thomson şi Davisson au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1937 pentru aceste experimente.

• În anul 1927 C.J Davisson si L.H. Germer au demonstrat că, la fel ca şi undele electromagnetice, electronii pot fi difractaţi pe cristale.

• Aparatul contruit de Davisson şi Germer conţinea o incintă vidată în care electronii, emişi de un filament încins , erau acceleraţi de o diferenţă de potenţial şi apoi loveau suprafaţa unui cristal de nichel.Schematic, experimentul este prezentat în figura următoare.

Schema experimentului Davisson şi Germer

• Detectorul de electroni (un cilindru Faraday) era montat pe o şină de formă arcuită, deci se putea deplasa pe un semicerc pentru a capta electronii difractaţi sub diferite unghiuri.Cristalul de Ni de asemenea putea fi rotit.

• S-a constatat astfel că pentru diverse unghiuri se obţin maxime ale intensităţii curentului de electroni împrăştiaţi.Aceste maxime indicau o comportare ondulatorie pentru electroni.

• De asemenea dacă unghiul era menţinut fix dar se varia tensiunea de accelerare U deci, conform relaţiei

• λ=h/, se modifica lungimea de undă asociată electronilor, se obţineau maxime şi minime de difracţie.

• Din teoria difracţiei se cunoaşte condiţia de maxim: δ=kλ, adică diferenţa de drum δ este un număr întreg de lungimi de undă.

• Din figura (2) se observă că diferenţa de drum este δ=2d sin θ, unde d este distanţa dintre planele atomice din cristal.Rezultă că pentru maximele de difracţie este necesară condiţia:

2d sin θ=kλAceastă relaţie este cunoscută sub numele de

legea lui Bragg pentru maxime de difracţie.

Interferenţă constructivă când 2dsinθ=kλ: d-distanţa dintre planele atomice, iar θ-unghiul dintre direcţia de incidenţă şi planul

cristalografic

• Dacă structura cristalului este cunoscută, condiţia de maxim de intensitate conţinută în legea lui Bragg ne permite să calculăm lungimea de undă a radiaţiei incidente pe cristal.

• Deoarece primul maxim (k=1) a fost obţinut la un unghi de împrăştiere θ=65°, iar pentru cristalul de Ni se cunoaşte constanta de reţea d=0,91Å, rezultă că λ=2dsinθ=2·0,91·sin65°=1,65Å.

• Totodată, tensiunea de accelerare pentru primul maxim era U=54V. Deci, folosind formula de determinare a lungimii de undă de Broglie, rezultă că lungimea de undă asociată electronului este 1,67Å.

• Descoperind că lungimea de undă calculată conform teoriei difracţiei luminii era aceeaşi cu cea calculată folosind ipoteza lui de Broglie, Davisson şi Germer au demonstrat natura ondulatorie a electronilor.

• Rezultatele experimentale au pus în evidenţă atât calitativ, cât şi cantitativ proprietăţile ondulatorii ale electronilor, confirmând astfel ipoteza dualismului corpuscul-undă, emisă de Louis de Broglie.

• Ulterior, au fost făcute experimente similare şi cu alte microparticule, cum ar fi: protoni, neutroni, particule α, etc. În toate aceste cazuri relaţia lui de Broglie a fost verificată.

• Au fost de asemenea efectuate experimente de trecere a fasciculelor de electroni prin foiţe metalice subţiri, cu grosimea de 1μm, cu structură policristalină. S-au obţinut inele de difracţie asemănătoare cu inelele produse de razele X prin difracţie, ceea ce dovedeşte o dată în plus caracterul ondulatoriu al electronilor.

• Din toate aceste experimente rezultă că proprietăţile ondulatorii există şi la particulele materiale, iar dualitatea corpuscul-undă este o proprietate universală.

Video

• http://www.youtube.com/watch?v=pnlP-z-cZBM

• http://www.youtube.com/watch?v=0r2PdY9Kbus

Bibliografie

• www.wikipedia.ro• Manualul de fizică pentru clasa a XII-a, autori:Simona Bratu, Vasile Fălie, Editura didactică şi

pedagogicăwww.youtube.ro