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📜  戴维森-格默实验

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:37.770000             🧑  作者: Mango

戴维森-格默实验

戴维森和格默实验确立了电子的波动性，并首次验证了德布罗意方程。德布罗意在 1924 年提出了物质的双重性质，但直到后来戴维森和格默的实验才证实了这一发现。这些发现提供了量子力学的第一个实验验证。在这个实验中，我们将研究镍晶体对电子的散射。让我们进行更多调查。

Davisson Germer 实验的构建

戴维森和格默实验包含在真空室内。结果，避免了介质引起的电子偏转和散射。以下是实验装置的主要组成部分：

电子枪：电子枪是一种钨丝，它通过热离子发射产生电子，这意味着它在加热到特定温度时会发射电子。

静电粒子加速器：为了在已知电势下加速电子，使用了两个带相反电荷的板（正极板和负极板）。

准直器：加速器安装在圆柱体中，电子沿其轴运行的路径受到限制。其目的是为加速准备一个窄而直（准直）的电子束。

目标：目标是找到一个镍晶体。在镍晶体上，电子束正常发射。晶体的放置方式使其可以围绕固定轴旋转。

探测器：探测器用于从镍晶体中收集分散的电子。如下图所示，探测器可以沿半圆弧移动。

Davisson Germer 实验的工作原理

  • 使用低压电源来加热电子炮，该电子炮具有涂有氧化钡的钨丝 F。
  • 当从高压电源施加适当的电位差时，电子炮会产生电子，然后将这些电子加速到一定的速度。
  • 这些释放的电子被迫穿过一个沿其轴有小孔的圆柱体，从而产生精确准直的光束。
  • 圆柱体的光束再次指向镍晶体的表面。结果，电子以多种方式分散。
  • 产生的电子束的强度由电子探测器记录，然后在连接到灵敏的电流计（以记录电流）后以圆形刻度移动。
  • 通过在改变θ （入射电子束和散射电子束之间的角度）的不同位置以圆形刻度移动检测器，测量不同散射角值的散射电子束强度。

Davisson Germer 实验的观察结果

我们可以从这个实验中得出以下结论：

  • 此处使用的检测器只能检测到粒子形式的电子的存在。结果，检测器接收电子作为电流。
  • 正在研究检测器接收到的电子电流的强度（强度）以及散射角。该电流称为电子强度。
  • 分散电子强度不是恒定的。它显示对应于 X 射线衍射图案的最大值和最小值的最大值和最小值。
  • 通过改变散射角 ( θ )，我们能够得到散射电子强度 (I) 的变化。
  • 通过改变加速电位差将加速电压从44V调整到68V。我们可以在 54 V 的加速电压下以 50° 的散射角检测到散射电子强度 (I) 的显着峰值。
  • 这个峰值是由分散在晶体均匀间隔原子的各个层的电子的相长干涉引起的。使用电子衍射确定物质波的波长为0.165 nm。

实验设置背后的想法

戴维森和格默实验基于这样的假设，即从镍晶体的两个不同原子水平反射的波将具有固定的相位差。在反射之后，这些波将建设性地或破坏性地相互作用。结果，产生了衍射图案。

在戴维森和格默实验中，波被用来代替电子。这些电子聚集在一起产生衍射图案。这样，物质的二元性就确立了。德布罗意方程和布拉格定律的关系如下图所示：

根据德布罗意方程，我们有：

因此，对于给定的 V，电子具有由方程式指定的波长。

布拉格定律由以下等式给出：

由于先前已知 X 射线衍射研究中的 d 值，因此我们可以从方程中获得波的波长，从而为各种 θ 值创建衍射图案。

戴维森和格默实验结果

Davisson 和 Germer 实验产生了散射角的值和电子散射最大的电位差 V 的匹配值。因此，当来自 Davisson 和 Germer 数据的这两个值应用于两个方程时，它们对 λ 产生相同的结果。由此，德布罗意波粒二象性成立，他的方程得到验证，如下图所示：

从 X 射线散射获得的“d”值现在为 0.092 nm。因此，在 V = 54 V 时，散射角为 50°，我们可以在等式中使用它来获得：

结果，实验结果与从德布罗意方程获得的理论值很好地吻合。

示例问题

问题 1：经典的 Davisson-Germer 电子实验的目的是什么？

回答：

问题 2：能量为 75 eV 的电子束通过 Davisson-Germer 实验中的晶体自然落到表面上。如果在与入射方向成 45° 角处获得的最大阶数 I 的晶格平面中的原子间距离是多少？

回答：

问题 3：在戴维森-格默实验中，使用了哪种晶体？

回答：

问题 4：Davisson-Germer 实验支持以下哪个理论？

回答：

问题 5：如果一个静止的质子和一个粒子由相同的电位差推动，德布罗意波长比是多少？

回答：