다비송-독일 실험

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양자역학
${\displaystyle i\hbar {\frac {\partial }{\partial t}} \psi(t)\rangle ={\hat {H} \psi(t)\rangle }$ 슈뢰딩거 방정식
서론 용어집 역사
배경 고전역학 구양자론 브라켓 표기법 해밀토니안 방해다
펀더멘털 상보성 디코히어런스 얽힘 에너지 준위 측정. 비국소성 양자수 주 중첩 대칭성 터널링 불확실성 파동함수 쓰러짐
실험 벨의 부등식 다비송-독일 더블슬릿 Elitzur–Vaidman 프랭크-헤르츠 레게트 – 가르기 등식 마하젠더 포퍼 양자지우개 지연선택 슈뢰딩거의 고양이 슈테른-게를라흐 휠러의 지연 선택
제형 개요 하이젠베르크 상호작용 매트릭스 위상공간 슈뢰딩거 이력 합계(경로 적분)
방정식 디랙 클라인고든 파울리 뤼드베르크 슈뢰딩거
해석 베이지안 일관 이력 코펜하겐 드브로이-봄 앙상블 숨은 변수 현지의 초결정론 다세계 대물붕괴 양자논리학 관계형 거래적 폰 노이만-비그너
고급주제 상대론적 양자역학 양자장이론 양자정보과학 양자전산 양자 혼돈 EPR 역설 밀도행렬 산란설 양자통계역학 양자기계학습
사이언티스트 아하로노프 벨 베테 블래킷 블로흐 봄 보어 태어난 보스 드브로이 콤프턴 디랙 데이비슨 데비 에렌페스트 아인슈타인 에버렛 포크 페르미 파인만 글라우버 구츠윌러 하이젠베르크 힐베르트 조던 크라머르스 파울리 새끼 양 란다우 라우에 모즐리 밀리칸 온네스 플랑크 라비 라만 뤼드베르크 슈뢰딩거 시몬스 소머펠트 폰 노이만 웨일 빈 위그너 지만 자일링거
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데이비슨-저머 실험은 웨스턴 일렉트릭(후의 벨 연구소)의 클린턴 데이비슨과 레스터 저머의 1923-27년 실험으로 ^[1][2][3]니켈 금속의 결정 표면에 의해 산란된 전자가 회절 패턴을 나타냈습니다. 이것은 1924년 Louis de Broglie에 의해 발전된 파동-입자 이중성의 가설과 슈뢰딩거 방정식의 파동역학적 접근법을 확인시켜 주었습니다. 그것은 양자역학의 창조에 있어 실험적인 이정표였습니다.

이력 및 개요

19세기 후반 맥스웰 방정식에 따르면 빛은 전자기장의 파동으로 구성되어 있다고 생각되었고 물질은 국소적인 입자로 구성되어 있다고 생각되었습니다. 그러나 이것은 빛을 이산적이고 국부적인 에너지 양자(현재 광자라고 함)로 묘사한 알버트 아인슈타인의 1905년 논문에서 도전을 받았고 1921년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 1924년 루이 드 브로이는 파동-입자 이중성 이론에 관한 논문을 발표했는데, 이 논문은 모든 물질이 광자의 파동-입자 이중성을 나타낸다는 아이디어를 제안했습니다.^[4] 드브로이에 따르면, 모든 물질과 방사선에 상관없이 입자의 $에너지$ E$${\$displaystyle$ E$}$는 관련 파동$$ν${\$displaystyle \n의 진동수와 관련이 있습니다.u$}$은(는) 플랑크 관계로 다음과 같습니다.

그리고 입자 $p{\displaystyle }$ ${\displaystyle p}$의 운동량은 현재 드브로이 관계로 알려진 입자의 파장과 관련이$$ 있습니다. 그의 플랑크 상수가 있는 곳입니다.

Davison-German 실험의 중요한 기여는 Walter M에 의해 이루어졌습니다. 1920년대 괴팅겐의 엘사세르는 결정성 고체에 대한 X선 산란 실험을 통해 X선의 파동성을 확인했듯이 결정성 고체에 대한 전자 산란 실험을 통해 물질의 파동성을 조사할 수 있다고 말했습니다.^[4][5]

엘사서의 이 제안은 그의 선배 동료(그리고 나중에 노벨상을 수상한 사람) 맥스 보른에 의해 영국의 물리학자들에게 전달되었습니다. Davisson과 Germer 실험을 수행했을 때 실험 결과는 Elsasser의 명제로 설명되었습니다. 그러나 데이비슨과 저머 실험의 초기 의도는 드브로이 가설을 확인하는 것이 아니라 니켈의 표면을 연구하는 것이었습니다.

1927년 벨 연구소에서 클린턴 데이비슨과 레스터 저머는 결정질 니켈 표적을 향해 느리게 움직이는 전자를 발사했습니다. 반사된 전자 세기의 각도 의존성을 측정한^[1][2] 결과 브래그가 X선에 대해 예측한 것과 유사한 회절 패턴을 갖는 것으로 확인되었으며, 일부 작지만 상당한 차이는^[3] 한스 베테가 보다 완벽한 분석에서 보여준 평균 전위 때문이었습니다.^[6] 동시에 George Paget Thomson과 그의 제자 Alexander Reid는 독립적으로 셀룰로이드 필름을 통해 전자를 발사하여 회절 패턴을 생성하는 동일한 효과를 입증했고, Davison과 Thomson은 1937년 노벨 물리학상을 공동 수상했습니다.^[4][7] 데이비슨-저머 실험은 물질이 파동과 같은 행동을 한다는 드브로이 가설을 확인시켜 주었습니다. 이는 1927년 노벨 물리학상을 수상한 아서 콤프턴(Arthur Compton)^[8]이 발견한 콤프턴 효과와 결합하여 양자 이론의 기본 단계인 파동-입자 이중성 가설을 확립했습니다.

초기 실험

데이비슨은 1921년에 전자 충격과 2차 전자 방출을 연구하기 위한 작업을 시작했습니다. 일련의 실험은 1925년까지 계속되었습니다.

1923년 이전에, 데이비슨은 찰스 H. 쿤스만과 함께 텅스텐에 대한 전자 충격의 영향을 감지하기 위해 연구를 해왔고, 그들은 전자의 1%가 탄성 산란으로 전자총에서 바로 튕겨 나온 것을 발견했습니다. 이 작지만 예상치 못한 결과로 인해 데이비슨은 러더퍼드 알파 입자 산란이 핵을 조사한 것과 유사한 방법으로 원자의 전자 구성을 조사할 수 있다는 이론을 세웠습니다. 그들은 고진공으로 바뀌었고 인상적이지 않은 결과를 가진 다양한 다른 금속들과 함께 니켈을 사용했습니다.^[9]

1924년 10월, 저머가 이 실험에 참여했을 때, 데이비슨의 실제 목표는 표면에 전자 빔을 지시하고 얼마나 많은 전자가 튕겨져 나갔는지를 여러 각도에서 관찰함으로써 니켈 조각의 표면을 연구하는 것이었습니다. 그들은 전자의 크기가 작기 때문에 가장 매끄러운 결정 표면도 너무 거칠어서 전자 빔이 확산 반사를 경험할 것이라고 예상했습니다.^[10]

실험은 결정 표면에 수직인 니켈 결정을 향해 전자빔(전자총, 정전입자가속기)을 발사하고, 검출기와 니켈 표면 사이의 각도가 달라짐에 따라 반사된 전자의 수가 어떻게 변하는지 측정하는 방식으로 이뤄졌습니다. 전자총은 가열된 텅스텐 필라멘트로 열을 가한 다음 전위차를 통해 가속되어 니켈 결정을 향해 일정량의 운동 에너지를 제공합니다. 전자가 표면을 향해 가는 동안 다른 원자와 충돌하는 것을 피하기 위해, 실험은 진공 챔버에서 수행되었습니다. 서로 다른 각도로 흩어진 전자의 수를 측정하기 위해 결정을 중심으로 원호 경로로 이동할 수 있는 패러데이 컵 전자 검출기가 사용되었습니다. 검출기는 탄성적으로 산란된 전자만 받아들이도록 설계되었습니다.

실험 도중 실수로 공기가 챔버로 들어가 니켈 표면에 산화막을 생성했습니다. 산화물을 제거하기 위해 Davison과 Germer는 니켈의 이전 다결정 구조가 전자빔의 폭에 걸쳐 연속적인 결정면과 함께 큰 단결정 영역을 형성하게 한다는 것을 모른 채 고온 오븐에서 시편을 가열했습니다.^[10]

그들이 실험을 다시 시작하고 전자가 표면에 부딪혔을 때, 그들은 결정의 결정면에 니켈 원자에 의해 흩어져 있었습니다. 이것은 1925년에 열 개의 결정면을 발생시키는 가열로 인해 예상치 못한 피크와 상관없는 피크를 갖는 회절 패턴을 생성했습니다. 그들은 실험을 단결정으로 바꾸고 다시 시작했습니다.

돌파

두 번째 신혼여행을 떠난 데이비슨은 1926년 여름 영국 과학 진흥 협회의 옥스퍼드 회의에 참석했습니다. 이번 회의에서 그는 최근 양자역학의 발전에 대해 알게 되었습니다. 놀랍게도 맥스 보른은 1923년 데이비슨이 쿤스만과 함께 백금에 대해 연구한 내용 ^[11]중 상관없는 회절곡선을 데이비슨이 몰랐던 드브로이 가설의 확인으로 사용한 강의를 했습니다.^[12]

그 후 데이비슨은 다른 과학자들인 월터 엘사서, E.G. 다이몬드, 블랙셋, 제임스 채드윅, 찰스 엘리스가 비슷한 회절 실험을 시도했지만 충분히 낮은 진공을 생성하거나 필요한 낮은 강도의 빔을 감지할 수 없었다는 사실을 알게 되었습니다.^[12]

미국으로 돌아온 데이비슨은 튜브 디자인과 검출기 장착에 수정을 가했고, 위도에 방위각을 추가했습니다. 다음 실험에서는 65 V에서 강한 신호 피크가 발생하고 각도 θ = 45°가 발생했습니다. 그는 네이처에 "니켈 단결정에 의한 전자의 산란"이라는 제목의 메모를 발표했습니다.^[1]

질문은 여전히 답해야 했고 실험은 1927년까지 계속되었습니다. 왜냐하면 데이비슨은 이제 드브로이 공식에 익숙해져 있었고 드브로이 관계에 따라 변화된 전자 파장$$λ${\$displaystyle $\$lambda }에 대해 어떤 효과가 식별될 수 있는지 알아보기 위해 테스트를 설계했기 때문입니다. ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \mathrm{h}}$/ (2mE) 1 / 2 {\displaystyl${\displaystyle \mathrm{e\; \backslash \; lamb}}$da = h / (2mE)^{1/2}}는 논문에서 보여준 것처럼 65V가 아니라 78에서 피크를 생성해야 한다는 것을 알고 있었습니다. 드브로이 공식과 상관관계를 맺지 못했기 때문에, 그들의 논문은 0.7의 임시 수축 계수를 도입했지만 13개의 빔 중 8개만 설명할 수 있었습니다.^[12][13]

전자총에 인가되는 전압을 달리함으로써 원자 표면에 의해 회절된 전자의 최대 세기를 다른 각도에서 찾아냈습니다. 가장 높은 강도는 54 V의 전압으로 각도 θ = 50°에서 관찰되어 전자에 54 eV의 운동 에너지를 제공했습니다.

1912년 막스 폰 라우에가 증명했듯이 주기적인 결정구조는 3차원 회절격자의 일종으로 작용합니다. 최대 반사각은 배열로부터의 보강 간섭에 대한 브래그 조건, 브래그 법칙에 의해 주어집니다.

n = 1, θ = 50° 및 결정질 니켈에 대한 이전 X선 산란 실험에서 얻은 니켈(d = 0.091 nm)의 결정질 면의 간격에 대해.

드브로이 관계식에 따르면 운동에너지가 54eV인 전자는 파장이 0.167nm입니다. 실험 결과는 브래그의 법칙을 통해 0.165 nm로 예측치와 거의 일치했습니다. 데이비슨과 저머는 1928년 노벨상 수상 논문의 후속 논문에서 "데이터가 브래그 공식을 만족하지 못하는 것을 포함한 이러한 결과는 이전에 전자 회절 실험에서 얻은 결과와 일치합니다. 반사 데이터는 전자 회절 빔이 라우에 빔 유사체와 일치하지 않는 것과 같은 이유로 브래그 관계를 만족시키지 못합니다."^[3] 그러나 이들은 "산출된 파동 길이는 첨부된 표와 같이 h/mv의 이론적 값과 매우 일치한다"고 덧붙였습니다.^[3] 그래서 전자 에너지 회절이 브래그 법칙을 따르지는 않지만 입자가 파동처럼 행동한다는 드브로이의 이론을 확인시켜 주었습니다. 전자 회절의 경우에 대한 슈뢰딩거 방정식을^[14] 풀었던 한스 베테가 전체 설명을 제공했습니다.^[6]

데이비슨과 제르머가 우연히 전자의 회절을 발견한 것은 입자도 파동성을 가질 수 있다는 드브로이의 가설을 확인한 최초의 직접적인 증거였습니다.

데이비슨은 세부 사항에 대한 관심, 기초 연구 수행을 위한 그의 자원, 동료들의 전문성, 운이 모두 실험 성공에 기여했습니다.

실용적인 응용

Davisson과 Germer가 사용한 특정한 접근법은 현재 LEED(Low-energy electron diffraction)라고 불리는 저에너지 전자를 사용했습니다. 훨씬 나중에야 초고진공 기술을 활용한 실험 방법(예: 1953년 알퍼트가^[15] 기술한 접근법)의 개발로 결정화된 원소의 표면과 원자 사이의 간격을 탐색하기 위해 LEED 회절을 광범위하게 사용할 수 있게 되었습니다.^[16] 더 높은 에너지의 전자가 다양한 방법으로 회절에 사용되는 방법은 훨씬 이전에 개발되었습니다.

참고문헌

외부 링크

• R. Nave. "Davisson–Germer Experiment". HyperPhysics. Georgia State University, Physics Department.