Das Davis­son-Ger­mer-Expe­ri­ment

Das Davis­son-Ger­mer-Expe­ri­ment wurde 1927 von Clin­ton Davis­son und sei­nem dama­li­gen Assis­ten­ten Les­ter Ger­mer an den Bell Labo­ra­to­ries ver­öf­fent­licht. Sie bestä­tig­ten damit Louis de Bro­glies Hypo­these der Mate­rie­wel­len. 1937 wurde Davis­son für sein Expe­ri­ment mit dem Nobel­preis für Phy­sik ausgezeichnet.

Quelle: Wiki­pe­dia

Auf­bau

Ein Elek­tron­strahl trifft ortho­go­nal auf die Ober­flä­che eines Nickel­ein­kris­talls. Ein schwenk­ba­rer Detek­tor misst die Inten­si­tät der gestreu­ten Elek­tro­nen im Win­kel θ. Der gesamte Auf­bau befin­det sich unter Vakuumbedingungen.

Durch eine rela­tiv geringe Beschleu­ni­gungs­span­nung im Bereich UB < 100V wurde sicher­ge­stellt, dass die Elek­tro­nen elas­tisch an der Ober­flä­che des Nickel­kris­talls gestreut wer­den und nicht tief in diese ein­drin­gen konnten.

Durch­füh­rung und Beobachtung

Die ers­ten Ver­su­che wur­den mit einer fes­ten Bat­te­rie­span­nung von UB = 54V durch­ge­führt und die Inten­si­tät der gestreu­ten Elek­tro­nen wurde mit einem so genann­ten Fara­day-Becher detek­tiert. Es zeigte sich, dass die Inten­si­tät der gestreu­ten Elek­tro­nen eine sehr starke Abhän­gig­keit vom Streu­win­kel θ aufwies.

Deu­tung

Die beob­ach­tete Win­kel­ab­hän­gig­keit der Inten­si­tät der gestreu­ten Elek­tro­nen lässt die Hypo­these eines Inter­fe­renz­phä­no­mens zu. Davis­son und Ger­mer konn­ten nach­wei­sen, dass die Git­ter­beu­gung ers­ter Ord­nung an der Nickel­ober­flä­che sehr gut mit der Mate­rie­wel­len­länge \lambda = \frac{h}{p} erklärt wer­den kann. 

Im Wel­len­bild wer­den die Mate­rie­wel­len an der Ober­flä­che des Nickel­kris­talls wie an einem Refle­xi­ons­git­ter gebeugt. Die Git­ter­kon­stante \textcolor{#008000}{ d } = 2{,}15\cdot 10^{-10} m ist durch die Abstände der Nickel­atome im Ein­kris­tall gegeben.

Tri­via

Davis­son und Ger­mer began­nen ab 1925 eigent­lich damit, die Ober­flä­che poly­kris­tal­li­ner Nickel­kör­per mit gestreu­ten Elek­tro­nen zu unter­su­chen. Nach­dem jedoch Luft in einen ihrer Auf­bau­ten ein­ge­drun­gen war, muss­ten sie die dadurch ent­stan­dene Oxid­schicht zunächst durch Erhit­zen des Kris­talls ent­fer­nen. Erst durch die­sen Pro­zess sind die mono­kris­tal­li­nen Struk­tu­ren auf der Ober­flä­che des Kris­talls entstanden. 

Zu dem Zeit­punkt ihrer Expe­ri­mente, hat­ten Davis­son und Ger­mer noch keine Kennt­nis von de Bro­glies Hypo­these. Erst als Davis­son Ende 1926 an einer Kon­fe­renz in Oxford teil­nahm, wurde er auf die Mate­rie­wel­len auf­merk­sam.

Somit waren Davis­son und Ger­m­ers Ent­de­ckun­gen wie­der ein­mal ein Zufalls­fund. Wei­tere Hin­ter­gründe gibt es in die­sem eng­lisch­spra­chi­gen Fach­ar­ti­kel.

Auf­ga­ben

  1. Erstelle eine Ver­suchs­be­schrei­bung im Heft mit allen nöti­gen Skizzen.
  2. Stelle einen Term auf, der den Zusam­men­hang zwi­schen dem Gang­un­ter­schied zweier benach­bar­ter Streu­zen­tren im Git­ter­ab­stand d und dem Streu­win­kel θ darstellt.
  3. Zeige rech­ne­risch, dass mit die­sem Ver­such de Bro­glies Hypo­these der Mate­rie­wel­len ein­drucks­voll gestützt wird.
  4. Elek­tro­nen­beu­gung am Dop­pel­spalt: Die erfolg­rei­che Durch­füh­rung eines Dop­pel­spalt­ver­su­ches mit Elek­tro­nen gelang erst­ma­lig Claus Jöns­son im Jahre 1957 an der Uni Tübin­gen. Im Jahre 2002 wurde Jöns­sons Ver­such zum schöns­ten Phy­sik­ex­pe­ri­ment aller Zei­ten gewählt. Stu­diere den Bei­trag bei LEIFI­phy­sik, fasse die Ver­suchs­be­schrei­bung im Heft zusam­men und bear­beite die Auf­ga­ben schriftlich.

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