İçeriğe atla

Davisson-Germer deneyi

de Broglie hipotezini doğrulayan fizik deneyi, Davisson-Germer deneyi, Amerikalı fizikçi olan Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından 1923-1927 yılları arasında yapıldı. Bu hipotez Louis de Broglie tarafından 1924 yılında ortaya konulmuştur ve hipoteze göre elektron gibi maddenin parçacıklarında dalga tipi bir özellik vardır. Bu deney ise sadece de Broglie hipotezini onaylama ve dalga-parçacık ikilisini sunmakla kalmayıp aynı zamanda kuantum mekaniğine ve Schrödinger denklemi için önemli bir tarihi gelişmedir.

Geçmiş ve Genel Bakış

19.yüzyılın sonuna doğru Maxwell'in denklemine göre ışık elektromanyetik alan dalgalarından ve yerelleşmiş parçacıklardan oluşuyordu. Fakat, bu düşünce Albert Einstein'ın 1905'te yayınladığı fotoelektrik etkisi hakkında makalesi ile çakışıyordu. Bu yazıya göre ışık ayrık ve yerelleşmiş, bugün foton adı verilen enerji kuantalarından oluşuyordu. 1924 yılında Louis de Broglie dalga-parçacık ikilisinin teorisi hakkında bir tez yazdı. Bu teori tüm maddelerin protonların dalga-parçacık ikililiği özelliğini gösterdiğine dayanıyordu. de Broglie'ye göre bütün maddeler ve radyasyon enerjisi olan parçacıklardan oluşuyordu ve bu enerji parçacığın yaydığı dalganın frekansıyla Plank sabitine bağlıydı.

Ve bu parçacıkların momentumu aynı zamanda dalga boyu ile ilişkilendiriliyordu.

h: plank sahibi

Parçacıkların doğal dalgalı yapısı elektron saçılma deneyi ile kristal maddeler üzerinde araştırılmaya başladı. Bu deneyi yürüten Walter M. Elsasser, X-ray ışınlarının dalgalı yapısını kristal katılar üzerinden saçılan X-ray dalgalarını gözlemledi. Elsasser'in bu önerisi onun kıdemli meslektaşı Max Born tarafından İngiltere'de fizikçilere tanıtıldı. David ve Germer deneyi gerçekleştirildiği zaman, deneyin sonuçları Elsasser'in fikri ile bağdaştırıldı. Fakat bu deneyin asıl amacı aslında de Broglie hipotezini doğrulamak değil sadece nikelin yüzeyi hakkında bir çalışma yürütmekti.

1927 yılında Bell Laboratuvarında Clinton Davisson ve Lester Germer yavaş hareket eden elektronları kristalize yapıda olan nikeli hedef kullanarak ateşledi. Saçılan elektronların yoğunluğundaki açısal değişkenliğinin Bragg'ın X-ray ışınları için öngördüğü kırınım ile aynı boyutlarda olduğu ölçüldü. Bu deney ayrıca George Paget Thomson tarafından tekrar bağımsız olarak gerçekleştirildi. Ardından Davisson and Thomson 1937 Fizik Nobel ödülünü paylaştı. Davisson-Germer deneyi maddelerin dalgalı bir yapıya sahip olduğunu sunan de Broglie hipotezini doğruladı. Bu deneyinin sonucunun Arthur Compton'un keşfettiği Compton saçılması deneyinin sonuçları ile birleştirilmesi quantum teorisinin temel parçalarından biri olan dalga-parçacık ikililiği hipotezini ortaya çıkardı.

Önceki Denemeler

Davisson 1921 yılında elektron bombardımanı ve ikincil elektron emili üzerinde çalışmaya başladı. Bu denemeleri 1925 yılına kadar sürdü. Davisson ve Germer'in bu deneydeki asıl amacı nikel maddesinin yüzeyini kullanarak elektron ışınlarının değişik açılarda ne kadar elektron geri yansıtacağını gözlemlemekti. Bunun gerçekleşmesi de elektronların küçük boyutlarda olmasından ve hatta pürüzsüz kristal yüzeyi elektronlar için çok pürüzlü olabilir ve yani bu da elektron ışınlarının çok dağınık bir şekilde yansımasına neden olacaktı.

Deneyin düzeneğinde ise bir elektron ışın ateşleyicisi vardı. Bu ateşleyici bir parça nikel kristalinin yüzeyine belirli bir açıda konumlandırılıyordu. Elektron ateşleyicisi aynı zamanda elektronlara bir miktar ısı vererek onlara belirli ivme ve kinetik enerji kazandırıyordu. Bunun yanı sıra elektronların birbirleriyle çarpışmaması için ortamda bir vakum çemberi bulunuyordu. Farklı açılarda saçılan elektronların sayısını ölçmek içinde kristalin üzerinde bir faraday cup elektron dedektörü bulunuyordu. Bu dedektör sadece elastik saçılan elektronları fark edebiliyordu. Deney sırasında bir kaza gerçekleşti ve hava akımı çemberin içerisine girip nikelin yüzeyinde oksit tabakası oluşturdu. Bu oksiti ortadan kaldırmak için Davisson ve Germer bu numuneyi yüksek derecede ısıttı. Fakat onların bu ısıtma işleminin eski polikristalize yapıda olan nikelin yeni bir hal alarak tek ve geniş bir kristal alanlı yapıda olacağını ve bu yapının sürekli ve aşırı miktarda elektron ışınlarına maruz kalacağını fark etmemişlerdi.

Deneyi tekrar gerçekleştirdiklerinde, elektonlar yüzeyi vurduğunda, nikel kristal düzlemindeki atomlara çarparak saçıldılar. 1925 yılında, Davisson ve Germer grafikte beklenmedik tepe noktalarına sahip olan bir sapma modeli geliştirdi.

Buluş

Deneylere ara verdikleri sırada Davisson 1926 yılında Oxford üniversitesinin yaz için düzenlediği the British Association for the Advancement of Science adlı etkinliğe katıldı. Etkinlik sırasında quantum mekaniği hakkındaki son gelişmelerden haberdar oldu. Etkinlik sırasında Max Born Davisson'un 1923 teki kırılma eğrileri hakkındaki araştırmasını kullanarak sunumunu yaptı. Bu bilgiyi de Broglie hipotezini doğrulamak için kullandı. Davisson o sırada farkına vardı ki, o yıllarda diğer bilim insanları, Walter Elsasser, E. G. Dymond, and Blackett, James Chadwick ve Charles Ellis benzer kırılma deneyleri üzerinde yoğunlaşmıştı. Fakat hiçbiri düşük yoğunluktaki ışınları dedektör ile fark edebilecek düzeyde bir düzeneğe sahip değillerdi.

Amerika'ya döndükten sonra Davisson tüp dizaynında ve dedektör girişinde birkaç değişiklik yaptı ve dedektörün azimuth ve colatitude açılarında da dönmesini sağladı. Sonraki deneyler 65 V ve θ = 45° derece açısında güçlü sinyaller elde etti. Bunun ardından kendi makalesine "Tek Nikel Kristalinden Saçılan Elektronlar" adlı bir not ekledi.

Bunun haricinde hala cevaplanması gereken sorular vardı ve deneyler 1927 yılına kadar sürdü.

Elektron ateşleme sistemine değişik voltajlarda akım uygulandı ve atomik yüzeyde maksimum yoğunluktaki elektronlar farklı açılar ile geri yansıdığı görüldü. En fazla yoğunluk açının θ = 50° derece ve voltajın 54 V olduğunda hesaplandı ve elektronlar 54 eV değerinde kinetik enerjiye sahipti. 1912 yılında Max von Laue periyodik kristal maddeyi 3 boyutlu kırınım ızgarası üzerinde tanımladı. En büyük açıdaki saçılmalar Bragg tarafından açıklandı. Bragg'ın kuralına göre

n = 1, θ = 50°. ve diğer bilgiler önceki nikel kristali saçılma deneydeki verilerdi.

de Broglie yasasına göre, 54 V değerine sahip bir ışının 0.167 dalga boyu var. Deneysel sonuç ise 0.165 nm. Bu sonuç bayağı tatmin ediciydi. Davisson ve Germer'ın kazara elde ettiği bu elektron kırınımı hakkındaki bulgu de Broglie yasasına kanıtlayan doğrudan ilk kanıt oldu. Davisson'un detaylara merakı, kullandığı kaynaklar, bilgili meslektaşlara sahip olması ve biraz da şans onun bu deneyde başarıya ulaşmasına yardımcı oldu.

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetik radyasyon</span>

Elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik ışınım, elektromanyetik dalga ya da elektromıknatıssal ışın bir vakum veya maddede kendi kendine yayılan dalgalar formunu alan bir olgudur. Elektromanyetik dalgalar, yüklü bir parçacığın ivmeli hareketi sonucu oluşan, birbirine dik elektrik ve manyetik alan bileşeni bulunan ve bu iki alanın oluşturduğu düzleme dik doğrultuda yayılan, yayılmaları için ortam gerekmeyen, boşlukta c ile yayılan enine dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar, frekansına göre değişik tiplerde sınıflandırılmıştır. Bu tipler sırasıyla :

Dalga-parçacık ikililiği teorisi tüm maddelerin yalnızca kütlesi olan bir parçacık değil aynı zamanda da enerji transferi yapan bir dalga olduğunu gösterir. Kuantum mekaniğinin temel konsepti, kuantum düzeyindeki objelerin davranışlarında ‘’parçaçık’’ ve ‘’dalga’’ gibi klasik konseptlerin yetersiz kalmasından dolayı bu teoriyi işaret eder. Standart kuantum yorumları bu paradoksu evrenin temel özelliği olarak açıklarken, alternatif yorumlar bu ikililiği gelişmekte olan, gözlemci üzerinde bulunan çeşitli sınırlamalardan dolayı kaynaklanan ikinci dereceden bir sonuç olarak açıklar. Bu yargı sıkça kullanılan, dalga-parçacık ikililiğinin tamamlayıcılık görüşüne hizmet ettiğini, birinin bu fenomeni bir veya başka bir yoldan görebileceğini ama ikisinin de aynı anda olamayacağını söyleyen Kopenhag yorumu ile açıklamayı hedefler.

<span class="mw-page-title-main">Elektron</span> Temel elektrik yüküne sahip atomaltı parçacık

Elektron, eksi bir temel elektrik yüküne sahip bir atomaltı parçacıktır. Lepton parçacık ailesinin ilk nesline aittir ve bileşenleri ya da bilinen bir alt yapıları olmadığından genellikle temel parçacıklar olarak düşünülürler. Kütleleri, protonların yaklaşık olarak 1/1836'sı kadardır. Kuantum mekaniği özellikleri arasında, indirgenmiş Planck sabiti (ħ) biriminde ifade edilen, yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum (spin) vardır. Fermiyon olmasından ötürü, Pauli dışarlama ilkesi gereğince iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Temel parçacıkların tamamı gibi hem parçacık hem dalga özelliklerini gösterir ve bu sayede diğer parçacıklarla çarpışabilir ya da kırınabilirler.

Fotoelektrik etki ya da fotoemisyon, ışık bir maddeyi aydınlattığında elektronların ya da diğer serbest taşıyıcıların ortaya çıkmasıdır. Bu bağlamda ortaya çıkan elektronlar, fotoelektronlar olarak adlandırılır. Bu olay genellikle elektronik fiziğinde hatta kuantum kimyası ya da elektrokimya gibi alanlarda çalışılır.

<span class="mw-page-title-main">Elektrik akımı</span> elektrik yükü akışı

Elektrik akımı, elektriksel akım veya cereyan, en kısa tanımıyla elektriksel yük taşıyan parçacıkların hareketidir. Bu yük genellikle elektrik devrelerindeki kabloların içerisinde hareket eden elektronlar tarafından taşınmaktadır. Ayrıca, elektrolit içerisindeki iyonlar tarafından ya da plazma içindeki hem iyonlar hem de elektronlar tarafından taşınabilmektedir.

<span class="mw-page-title-main">Basamak fonksiyonu</span>

Basamak fonksiyonu ile gösterilir ve tanımı şu şekilde verilir:

Antimadde, karşı madde veya karşıt madde, maddenin ters ikizi. Paul Dirac denklemiyle ortaya çıkarılmış ve daha sonraki gözlemlerle de varlığı doğrulanmıştır. Antimadde en basit hâliyle normal maddenin zıddıdır. Antimaddenin atomaltı parçacıkları, normal maddeye göre zıt özellikler taşımaktadır. Bu atomaltı parçacıkların elektrik yükleri, normal maddenin atomaltı parçacıklarının tam tersidir. Antimadde, Büyük Patlama'dan sonra normal maddeyle birlikte oluşmuştur; fakat sebebinin ne olduğunu bilim insanları tam anlamıyla bilemeseler de evrende oldukça nadir bulunmaktadır.

<span class="mw-page-title-main">Thomson atom modeli</span> John Thomson tarafından öne sürülen günümüzde geçerliliğini yitirmiş bir atom modeli

Thomson atom modeli, atomun yapısını tanımlayan birkaç bilimsel modelden biridir. Katot ışınlarının doğasını anlamaya çalışan İngiliz fizikçi Joseph John Thomson tarafından, elektronların parçacık olarak tanımlamasından kısa bir süre sonra atomun çekirdeğinin keşfinden önce 1904 yılında ortaya atıldı. Aynı zamanda üzümlü kek modeli olarak da bilinen bu model atomdaki negatif yüklü parçacıkların yerini ve atomların yüksüzlüğünü açıklamaktadır: Modele göre atomda pozitif yüklü bir gövdenin içinde bir kekin içindeki üzümler gibi negatif yüklü elektronlar homojen olarak dağılmıştır.

Madde dalgaları veya de Broglie dalgaları, maddenin dalga-parçacık ikiliğini yansıtan kavramdır. Kuram 1924'te, Louis de Broglie tarafından doktora tezinde önerilmiştir. De Broglie denklemleri dalga boyunun parçacığın momentumuyla ters orantılı olduğunu gösterir ve ayrıca de Broglie dalga boyu diye isimlendirilir. Ayrıca madde dalgalarının tekrarsıklığı, de Broglie tarafından türetildiği gibi, parçacığın toplam enerjisi E'ye – kinetik enerjisinin ve potansiyel enerjisinin toplamı – doğru orantılıdır.

Tau; tau leptonu, tau parçacığı veya tauon olarak adlandırılır. Tau negatif yüklü, elektron benzeri bir temel parçacıktır. Yarım spinlidir. Elektron, müon ve üç nötrinolara birlikte tau lepton kategorisindedir. Tau da tüm parçacıklar gibi, bir antimadde karşılığına sahiptir; Tau'nun bu durumuna "antitau" denir..

Düşük enerjili elektron kırınımı veya LEED, kristal yüzeylerden saçılan düşük enerjili elektronların oluşturduğu kırınım motiflerinin görüntülendiği teknik. Yüzeyin atomik yapısı üzerine detaylı bilgi veren LEED yüzey bilimi çerçevesinde büyük uygulama alanına sahiptir.

<span class="mw-page-title-main">Kuantum mekaniği</span> atom altı seviyede çalışmalar yapan bilim dalı

Kuantum mekaniği veya kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. Nicem mekaniği veya dalga mekaniği adlarıyla da anılır. Kuantum mekaniği, moleküllerin, atomların ve bunları meydana getiren elektron, proton, nötron, kuark, gluon gibi parçacıkların özelliklerini açıklamaya çalışır. Çalışma alanı, parçacıkların birbirleriyle ve ışık, x ışını, gama ışını gibi elektromanyetik ışınımlarla olan etkileşimlerini de kapsar.

<span class="mw-page-title-main">Radyasyon</span> Uzayda hareket eden dalgalar veya parçacıklar

Radyasyon veya ışınım, elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır. "Radyoaktif maddelerin alfa, beta, gama gibi ışınları yaymasına" veya "Uzayda yayılan herhangi bir elektromanyetik ışını meydana getiren unsurların tamamına" da radyasyon denir. Bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı, proton sayısına göre oldukça fazla veya oldukça az ise; bu tür maddeler kararsız bir yapı göstermekte ve çekirdeğindeki nötronlar alfa, beta, gama gibi çeşitli ışınlar yaymak suretiyle parçalanmaktadırlar. Çevresine bu şekilde ışın saçarak parçalanan maddelere radyoaktif madde denir.

<span class="mw-page-title-main">Bragg kırınımı</span>

X ışınları kırınımında kristallerin kullanımı İngiliz fizikçileri William Lawrence Bragg ve babası W.H.Bragg tarafından geliştirildi; bu nedenle Bragg kırınımı adı verilir. Bu teknik tarihsel olarak X ışınlarının tanılanmasında önemli olduğu kadar, günümüzde de kristal yapıların incelenmesinde önemli bir yer tutmaktadır. Bragg kırınımını anlamak için bir kristali, düzenli aralıklarla sıralanmış özdeş ve birbirine paralel düzlemler olarak düşünebiliriz. Atomların içinde periyodik olarak sıralandığını düşünerek düzlemlerin çok farklı şekillerde algılandığı ortaya çıkabilir. Bu farklı düzlemlere belirli bir β açısıyla yaklaşan bir elektromanyetik dalga göz önüne alınır. Dalga kristale çarptığında her atomda ışımanın bir bölümü saçılacak, saçılan dalgaların aynı fazda olduğu doğrultularda kırınım maksimumları gözlenecektir. İlk düzlemden yansıyan dalgaları göz önüne alalım, saçılan dalgaların aynı fazda olduğu doğrultu bildiğimiz yansıma kuralıyla verilir:

<span class="mw-page-title-main">Compton saçılması</span>

Compton olayı, yüksek enerjili X ışınlarının fotonu ile karbon atomunun serbest elektronunun çarpıştırılması sonucu elektronun ve fotonun şekildeki gibi saçılması olayıdır.

<span class="mw-page-title-main">Çift yarık deneyi</span>

Young deneyi olarak da bilinen çift-yarık deneyi, ışığın dalga özelliği sergilediğini gösterir. Fotoelektrik etkisi ışığın dalga özelliğinin yanı sıra parçacık özelliği de sergilediğini gösterir. Deneyin basit versiyonunda lazer ışını gibi bağdaşık bir ışık kaynağı, iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır ve yarıktan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenir. Işığın dalga doğası ışık dalgalarının iki yarıktan da geçerek girişim yapmasını ve ekranda aydınlık ile karanlık bantlar oluşturmasını sağlar ki bu sonuç ışık tamamen parçacıklı yapıda olsa beklenemez. Fakat, parçacıklardan veya fotonlardan oluşuyormuş gibi, ekranda her zaman ışığın soğurulduğu görülür. Bu durum dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen prensibi ortaya koyar.

<span class="mw-page-title-main">Clinton Davisson</span> Amerikalı fizikçi (1881 – 1958)

Clinton Joseph Davisson, elektron kırınımı keşfi ile 1937 yılında Nobel Fizik Ödülünü alan Amerikalı fizikçidir. Davisson ödülü bağımsız olarak kendi ile aynı anda elektron kırınımını keşfeden George Paget Thomson ile paylaşmıştır.

<span class="mw-page-title-main">X ışını kristalografisi</span> bir kristalin atomik veya moleküler yapısını belirlemek için kullanılan, sıralanmış atomların gelen X-ışınları demetinin belirli yönlere kırılmasına neden olduğu teknik

X ışını kristalografisi bir kristalin atomik ve moleküler yapısını incelemek için kullanılan ve kristalleşmiş atomların bir X-ışını demetindeki ışınların kristale özel çeşitli yönlerde kırınımı olayına dayanan, bir yöntemdir. Kırınıma uğrayan bu demetlerin açılarını ve genliklerini ölçerek bir kristalografi uzmanı kristaldeki elektronların yoğunluğunun üç boyutlu bir görüntüsünü elde edebilir. Bu elektron yoğunluğundan kristaldeki atomların kimyasal bağları, kristal yapıdaki düzensizlikler ve bazı başka bilgilerle birlikte ortalama konumları tespit edilebilir.

Kuantum mekaniğinin tarihi modern fizik tarihinin önemli bir parçasıdır. Kuantum kimyası tarihi ile iç içe olan kuantum mekaniği tarihi özünde birkaç farklı bilimsel keşif ile başlar; 1838’de Michael Faraday tarafından elektron demetlerinin keşfi, Gustav Kirchhoff tarafından 1859-60 kışı siyah cisim ışıması problemi beyanı, Ludwig Boltzmann’ın 1877 yılındaki fiziksel bir sistemin enerji seviyelerinin ayrıklardan olabileceği önerisi, 1887 yılında Heinrich Hertz’in fotoelektrik etkiyi keşfetmesi ve Max Planck’ın 1900 yılında ileri sürdüğü, herhangi bir enerji yayan atomik sisteminin teorik olarak birkaç farklı “enerji elementi” ε (epsilon) ne bölünebilmesi, bu enerji elementlerinden her birinin frekansına ν orantılı olması ve ayrı ayrı enerji üretebilmesi hipotezi, aşağıdaki formülle gösterilmiştir;

Arago noktası, Fresnel parlak noktası veya Poisson noktası Fresnel kırınımına göre dairesel cismin ortasındaki gölgedir. Bu nokta ışığın doğal dalgasının keşfinde ve ışığın dalga davranışı sergilediğini göstermek için önemli rol oynar.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.