デイヴィソン・ガーマー実験

デイヴィソン・ジャーマー実験は、1923年から1927年にかけてウェスタン・エレクトリック（後のベル研究所）のクリントン・デイヴィソンとレスター・ジャーマーによって行われた実験である。^{[1] [2] [3]}この実験では、ニッケル金属の結晶の表面で散乱された電子が回折パターンを示した。これにより、1924年にルイ・ド・ブロイによって提唱された波動粒子二重性の仮説と、シュレーディンガー方程式の波動力学アプローチが確認された。これは量子力学の創造における実験上の画期的な出来事であった。

19世紀後半のマクスウェル方程式によれば、光は電磁場の波から成り、物質は局在した粒子から成ると考えられていた。しかし、これはアルバート・アインシュタインの1905年の光電効果に関する論文で異論を唱えられた。この論文では、光を離散的で局在したエネルギー量子（現在では光子と呼ばれる）として記述し、 1921年にノーベル物理学賞を受賞した。 1924年にルイ・ド・ブロイは波動粒子二重性理論に関する論文を発表し、すべての物質は光子の波動粒子二重性を示すという考えを提唱した。^[4]ド・ブロイによれば、すべての物質および放射線について、粒子のエネルギーは関連する波の周波数とプランクの関係式によって関連付けられており、 粒子の運動量は現在ド・ブロイの関係式として知られる関係式によって波長と関連付けられていた。 ここでhはプランク定数である。 ${\displaystyle E}$${\displaystyle \nu }$$${\displaystyle E=h\nu }$$${\displaystyle p}$$${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}},}$$

デイヴィソン・ゲルマー実験への重要な貢献は、1920年代にゲッティンゲンのウォルター・M・エルザッサーによってなされた。彼は、X線の波動性が結晶固体に対するバルクラのX線散乱実験によって確認されたのと同様に、物質の波動性は結晶固体に対する電子散乱実験によって調べられるかもしれないと述べた。^{[4] [5]}

エルザッサーのこの提案は、彼の先輩同僚（後にノーベル賞受賞者）マックス・ボルンによってイギリスの物理学者に伝えられた。デイヴィソンとゲルマーの実験が行われたとき、実験結果はエルザッサーの命題によって説明された。しかし、デイヴィソンとゲルマーの実験の当初の目的は、ド・ブロイの仮説を確認することではなく、ニッケルの表面を研究することであった。

1927年、ベル研究所で、クリントン・デイヴィソンとレスター・ジャーマーが、ニッケル結晶ターゲットに低速で移動する電子を発射した。反射電子強度の角度依存性が測定され^{[1] [2]}、ブラッグがX線について予測したものと同様の回折パターンを持つことがわかった。いくつかの小さいが重要な違い^[3]は、ハンス・ベーテがより完全な分析で示した平均電位によるものだった。 ^[6]同じ頃、ジョージ・パジェット・トムソンと彼の学生アレクサンダー・リードは、セルロイドフィルムに電子を発射して回折パターンを生成する同じ効果を独立して実証し、デイヴィソンとトムソンは1937年にノーベル物理学賞を共同受賞した。 ^{[4] [7]}ジャーマーが賞を共同受賞しなかったことは、それ以来物理学者を困惑させてきた。^[8]デイヴィソン–ジャーマーの実験は、物質が波動のような振る舞いをするこれは、アーサー・コンプトン（1927年にノーベル物理学賞を受賞した）によって発見されたコンプトン効果と相まって、 ^[9]量子論の基本的なステップである波動粒子二重性仮説を確立しました。

デイヴィソンは 1921 年に電子衝撃と二次電子放出の研究を始めました。一連の実験は 1925 年まで続けられました。

1923年以前、デイヴィソンはチャールズ・H・クンスマンとタングステンへの電子衝撃の効果の検出に取り組んでいたが、弾性散乱で電子の1%が電子銃にまっすぐ跳ね返っていることに気づいた。この小さいが予想外の結果から、デイヴィソンはラザフォードのアルファ粒子散乱が原子核を調べたのと似た方法で原子の電子配置を調べることができると理論づけた。彼らは高真空に変更し、ニッケルやその他のさまざまな金属を使用したが、結果は芳しくなかった。^[10]

1924年10月にジャーマーが実験に参加したとき、デイヴィソンの実際の目的はニッケル片の表面を研究することだった。表面に電子ビームを照射し、さまざまな角度で跳ね返る電子の数を観察することだった。彼らは、電子のサイズが小さいため、最も滑らかな結晶表面でも粗すぎて、電子ビームが拡散反射するだろうと予想した。^[11]

実験は、電子銃（静電粒子加速器）から電子ビームをニッケル結晶の表面に対して垂直に発射し、検出器とニッケル表面の間の角度が変化すると反射電子の数がどのように変化するかを測定するというものでした。電子銃は加熱されたタングステンフィラメントで、熱励起された電子を放出し、電位差によって加速され、一定の運動エネルギーを与えられ、ニッケル結晶に向かって進みます。表面に向かう途中で電子が他の原子と衝突するのを避けるため、実験は真空チャンバー内で行いました。さまざまな角度で散乱された電子の数を測定するために、結晶の周りの円弧状経路上を移動できるファラデーカップ電子検出器を使用しました。検出器は弾性散乱電子のみを受け入れるように設計されていました。

実験中、偶然に空気がチャンバー内に入り込み、ニッケル表面に酸化膜が形成された。この酸化物を除去するために、デイヴィソンとジャーマーは高温オーブンで試料を加熱したが、これによってニッケルの元々多結晶構造であった部分が、電子ビームの幅にわたって連続した結晶面を持つ大きな単結晶領域を形成することになるとは知らなかった。^[11]

実験を再開し、電子が表面に当たると、結晶面のニッケル原子によって散乱されました (したがって、原子は規則的に間隔を空けていました)。これにより、1925 年に、加熱によって 10 個の結晶面領域が生じたため、予想外の相関のないピークを持つ回折パターンが生成されました。実験を単結晶に変更し、再度開始しました。

2度目の新婚旅行で、デイヴィソンは1926年夏にオックスフォードで開催された英国科学振興協会の会議に出席した。この会議で、彼は量子力学の最新の進歩について学んだ。デイヴィソンが驚いたことに、マックス・ボルンは、デイヴィソンが1923年にクンスマンと行った白金の研究から得た相関のない回折曲線を使った講義を行い、^[12]そのデータをデイヴィソンが知らなかったド・ブロイの仮説の裏付けとして使った。^[13]

デイヴィソンはその後、以前に他の科学者（ウォルター・エルサッサー、EG・ダイモンド、ブラケット、ジェームズ・チャドウィック、チャールズ・エリス）が同様の回折実験を試みたものの、十分に低い真空を生成できなかったり、必要な低強度のビームを検出できなかったことを知りました。^[13]

アメリカに戻ったデイヴィソンは、管の設計と検出器の取り付けに改良を加え、緯度に加えて方位角も追加した。その後の実験では、65 V および角度θ = 45°で強い信号ピークが生成された。彼は「ニッケル単結晶による電子の散乱」と題する論文をネイチャー誌に発表した。^[1]

デイヴィソンはド・ブロイの公式に精通しており、ド・ブロイの関係に従って電子の波長を変えた場合に何らかの影響が見られるかを調べるテストを設計していたため、まだ疑問は残っていたが、実験は1927年まで続けられた。彼らは、論文で示したようにピークは65 Vではなく78 Vになるはずだった。ド・ブロイの公式との相関が取れなかったため、彼らの論文では0.7というアドホックな収縮係数を導入したが、これでは13本のビームのうち8本しか説明できなかった。^{[13] [14]}${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle \lambda =h/(2mE)^{1/2}}$

電子銃に印加する電圧を変化させることで、原子表面で回折される電子の最大強度がさまざまな角度で検出された。最高強度は、電圧54Vで角度θ = 50°のときに観測され、電子の運動エネルギーは54  eV . ^[4]

マックス・フォン・ラウエが1912年に証明したように、周期的な結晶構造は一種の3次元回折格子として機能する。最大反射角は、アレイからの建設的干渉に対するブラッグの条件、n = 1、θ = 50° のブラッグの法則 、および結晶ニッケルの以前のX線散乱実験から得られたニッケルの結晶面の間隔（d = 0.091 nm）によって与えられる。^[4]$${\displaystyle n\lambda =2d\sin \left(90^{\circ }-{\frac {\theta }{2}}\right),}$$

ド・ブロイの関係によれば、運動エネルギーが54  eVの波長は0.167  nm。実験結果は0.165 nm のブラッグの法則により、この結果は予測とほぼ一致した。デービッソンとガーマーは、1928 年にノーベル賞を受賞した論文のフォローアップ論文で、「これらの結果は、データがブラッグの式を満たさないことを含め、電子回折の実験で以前に得られた結果と一致している。反射データがブラッグの関係を満たさないのは、電子回折ビームがラウエビームの類似物と一致しないのと同じ理由である」と述べている。^[3]しかし、彼らは「計算された波長は、添付の表に示されているように、h/mv の理論値と非常によく一致している」と付け加えている。^[3]したがって、電子エネルギー回折はブラッグの法則に従わないが、粒子が波のように振舞うというド・ブロイの理論を裏付けた。完全な説明は、電子回折の場合のシュレーディンガー方程式^[15]を解いたハンス・ベーテによってなされた。 ^[6]

デイヴィソンとガーマーによる電子の回折の偶然の発見は、粒子も波動性を持つことができるというド・ブロイの仮説を裏付ける最初の直接的な証拠であった。

デイヴィソン氏の細部へのこだわり、基礎研究を行うためのリソース、同僚の専門知識、そして幸運のすべてが、実験の成功に貢献しました。

デイヴィソンとガーマーが使用した特定のアプローチは、現在では低エネルギー電子回折（LEED）と呼ばれる低エネルギー電子を使用するものでした。超高真空技術を利用する実験方法が開発され（例えば、1953年にアルパートが説明したアプローチ^[16] ）、結晶化した元素の表面や原子間の間隔を調べるためにLEED回折を広範囲に使用できるようになるまで には、かなり時間がかかりました。 ^[17]より高エネルギー電子をさまざまな方法で 回折に使用する方法は、それよりずっと以前に開発されました。

ウィキメディア・コモンズには、デイヴィッソン・ジャーマー実験に関連するメディアがあります。

• R. Nave. 「デイヴィソン・ガーマー実験」。HyperPhysics 。ジョージア州立大学、物理学部。