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.
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
- Erstelle eine Versuchsbeschreibung im Heft mit allen nötigen Skizzen.
- Stelle einen Term auf, der den Zusammenhang zwischen dem Gangunterschied zweier benachbarter Streuzentren im Gitterabstand d und dem Streuwinkel θ darstellt.
- Zeige rechnerisch, dass mit diesem Versuch de Broglies Hypothese der Materiewellen eindrucksvoll gestützt wird.
- 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.
Bei der Streuung an der Oberfläche ergibt sich der Gangunterschied Δs auf die gleiche Weise wie beim Doppelspalt bzw. wie beim Reflexionsgitter:
\Delta s = d\cdot \sin \theta
Fehlerquelle: Die Bragg-Bedingung ist hier nicht anwendbar. Sie wird genutzt, wenn die Wellen tief in den Kristall eindringen und die Beugung an vielen Netzebenen gleichzeitig stattfindet
Wir berechnen zunächst die Wellenlänge der Materiewellen aus dem Gangunterschied mit der Formel aus Aufgabe 2 in der Ordnung n = 1:
\lambda=1\cdot d\cdot \sin\theta =\\[5pt]
2{,}15\cdot 10^{-10}\text{ m} \cdot \sin(50°)\approx 164{,}7\text{ pm}.Dann bestimmen wir die Materiewellenlänge \lambda = \frac{h}{p} gemäß der Idee von de Broglie:
\lambda=\frac{h}{p}=\frac{h}{\sqrt {m_e\cdot 2\cdot e\cdot U_B }}\\[5pt]
=\frac{6{,}626\cdot 10^{-34}\text{ Js}}{\sqrt {9{,}109\cdot 10^{-31}\text{ kg}\cdot 2\cdot 1{,}602\cdot 10^{-19}\text{ C}\cdot 54\text{ V}}}\\[5pt]
\approx 166{,}9 \text{ pm}Analyse: Die Wellenlängen sind in sehr guter Übereinstimmung zu einander, d.h. de Broglies Hypothese wird durch Davisson und Germers Experiment in vollem Maße unterstützt.
Neueste Kommentare