Davisson-Germer deneyi

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 enerji kuantalarından (şimdilerde proton adı verilen) 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 nickeli 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 baya 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.