اقرأ في هذا المقال
كانت تجربة دافيسون جيرمر هي أول قياس للأطوال الموجية للإلكترونات، حيث استحق العالم (CJ Davisson) الذي عمل في مختبرات بيل للأبحاث، على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1937 مع جورج، ووفقًا لتوضيح كوبنهاجن لميكانيكا الكم، تؤدي ثنائية الموجة والجسيم إلى جسيمات تظهر أيضًا خصائص تشبه الموجة مثل الامتداد في الفضاء والتداخل.
ما هي تجربة دافيسون جيرمر
كانت تجربة (Davisson-Germer) تجربة مصممة لقياس التوصيل الحراري لمعدن وتعتبر من أشهر التجارب في الفيزياء، أجرى التجربة روبرت ميليكان وهارفي فليتشر في عام 1927 في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وغالبًا ما يتم الاستشهاد به كمثال على كيفية استخدام فيزياء الجسيمات لاختبار الفرضيات حول الكائنات العيانية بسهولة نسبية.
تكونت التجربة من قرص معدني رفيع مسطح مغمور في أنبوب زجاجي مملوء بالزيت، محاطًا بالماء من جميع الجوانب باستثناء جانب واحد، حيث يلتقي الزيت بالهواء، وكان للقرص قطبين مرتبطين بمصدر طاقة عالي الجهد، مما خلق مجالًا كهربائيًا عبر الفجوة بينهما وتسبب في تدفق تيار مستمر عبر كلا القطبين في المياه المحيطة.
تم عمل تجربة دافيسون جيرمر على يد العالم كلينتون جيرمر، حيث بينت الإلكترونات المتناثرة على وجه بلورة معدن النيكل نمط تشتت، وبينت هذه التجربة فرضية لويس دي بروي عن ازدواجية الموجة والجسيم، والتي اقترحها في عام 1924، وكانت لحظة فاصلة في تطور ميكانيكا الكم.
المكونات الرئيسية لتجربة دافيسون جيرمر
- تم استخدام مصدر طاقة منخفض الجهد لتسخين مسدس إلكتروني بخيوط تنجستن F مطلية بأكسيد الباريوم.
- عندما يتم تطبيق فرق جهد مناسب من مصدر طاقة عالي الجهد، فإن مسدس الإلكترون يصدر إلكترونات يتم تسريعها بعد ذلك إلى سرعة محددة.
- تم توجيه الإلكترونات المحررة نحو سطح بلورة النيكل عن طريق المرور عبر أسطوانة مثقبة بفتحات صغيرة على طول محورها، مما ينتج عنه شعاع موازٍ دقيق، ونتيجة لذلك، تنتشر الإلكترونات في اتجاهات مختلفة.
- يتم قياس شدة شعاع الإلكترون الناتج بواسطة كاشف الإلكترون، ثم يتم نقلها على نطاق دائري بعد توصيلها بجلفانوميتر حساس (لتسجيل التيار).
- يتم قياس شدة حزمة الإلكترون المبعثرة لقيم مختلفة لزاوية التشتت عن طريق تحريك الكاشف على مقياس دائري في مواضع مختلفة تغير (الزاوية بين الحزم الإلكترونية المتناثرة والواقعة).
أهمية تجربة دافيسون جيرمر
تجربة دافيسون جيرمز هي تجربة فكرية مشهورة في الفيزياء، إذ إنها طريقة لفهم طبيعة الوقت، وأظهرت تجربة دافيسون وجيرمر الطبيعة الموجية للإلكترونات، مما يؤكد فرضية دي برولي السابقة، وعندما تتشتت الإلكترونات من بلورات ذات ذرات متباعدة بشكل مناسب، فإنها تظهر الانعراج.
افترضت تجربة دافيسون وجيرمر أن الموجات المنعكسة من مستويين ذريين متميزين لبلورة نيكلورية سيكون لها فرق طور ثابت، وبعد الانعكاس، ستتفاعل هذه الموجات بطريقة بناءة أو هدامة، ونتيجة لذلك يظهر نمط الانعراج، وفي تجربة دافيسون وجيرمر، تم استخدام الموجات بدلاً من الإلكترونات، حيث اجتمعت هذه الإلكترونات معًا لتكون نمط حيود، وهكذا تم تأسيس الطبيعة المزدوجة للجوهر.
كيف يتم إجراء تجربة دافيسون جيرمر
في هذه التجربة، يُطلق إلكترون على صفيحة معدنية بفتحة صغيرة واحدة تبعث الضوء، حيث يمر الإلكترون عبر الفتحة ويخلق نمط تداخل على الجدار الخلفي للصندوق، إذ أن تردد الضوء المنبعث من جانب واحد من الصندوق سيتم إزاحته بمقدار يتناسب مع سرعة الضوء بالنسبة لذلك الجانب، وسيكون التحول مرتبطًا بالوقت الذي يستغرقه الإلكترون في المرور عبر الفتحة والوصول إلى وجهته على الجانب الآخر.
ماذا أضافت تجربة دافيسون جيرمر في فيزياء الكم
- لأول مرة، أثبتت تجربة دافيسون وجيرمر الطبيعة الموجية للإلكترونات وتحققت من صحة معادلة دي برولي، وفي عام 1924، اقترح (De Broglie) الطبيعة المزدوجة للمادة، ولكن لم تؤكد تجربة دافيسون وجيرمر النتائج إلا في وقت لاحق، حيث قدمت الاكتشافات أول دليل تجريبي لميكانيكا الكم.
- في هذه التجربة، سينظر في تشتت الإلكترونات بواسطة بلورة النيكل، حيث أثبتت تجربة (Davisson-Germer) طبيعة موجة الإلكترون، وأكدت فرضية (DeBroglie) السابقة، فلقد كانت خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير ميكانيكا الكم؛ لأنها وضعت ازدواجية الموجة والجسيم على أساس تجريبي ثابت.
- وتم تطبيق قانون (Bragg) للحيود سابقًا على حيود الأشعة السينية، لكن هذه كانت المرة الأولى التي يتم فيها تطبيقه على موجات الجسيمات.
نتائج تجربة دافيسون جيرمر
- تم تسخين مدفع إلكتروني باستخدام خيوط التنغستن F المطلية بأكسيد الباريوم باستخدام مصدر طاقة منخفض الجهد.
- عندما يتم تطبيق فرق جهد مناسب من مصدر طاقة عالي الجهد، فإن مدفع الإلكترون ينتج إلكترونات يتم تسريعها بعد ذلك إلى سرعة محددة.
- تم إجبار هذه الإلكترونات المحررة على المرور عبر أسطوانة مثقبة بفتحات صغيرة على طول محورها، مما أدى إلى شعاع موازٍ بدقة.
- يتم توجيه شعاع الأسطوانة مرة أخرى نحو سطح بلورة النيكل، ونتيجة لذلك، تتشتت الإلكترونات بعدة طرق.
- يسجل كاشف الإلكترون شدة شعاع الإلكترون المتولد، والذي يتم بعد ذلك تحريكه على نطاق دائري بعد ربطه بجلفانوميتر حساس (لتسجيل التيار).
علاقة تجربة دافيسون جيرمر و دي برولي
- تم الحصول على تباين شدة (I) للإلكترونات المبعثرة عن طريق تغيير زاوية التشتت، θ.
- من خلال تغيير فرق الجهد المتسارع، تنوع الجهد المتسارع من 44 فولت إلى 68 فولت.
- مع شدة (I) للإلكترون المبعثر لجهد تسارع قدره 54 فولت بزاوية تشتت θ = 50، يمكننا أن نرى ذروة قوية في الشدة.
- كانت هذه الذروة نتيجة للتداخل البناء للإلكترونات المنتشرة من طبقات مختلفة من ذرات البلورات المتباعدة بانتظام.
- بمساعدة حيود الإلكترون، تم حساب الطول الموجي لموجات المادة ليكون 0.165 نانومتر، وهكذا تؤكد تجربة دافيسون جيرمر الطبيعة الموجية للإلكترونات وعلاقة دي برولي.
استندت تجربة دافيسون وجيرمر على افتراض أن الموجات المنعكسة من مستويين ذريين متميزين لبلورة نيكل سيكون لها فرق طور ثابت، وبعد الانعكاس ستتفاعل هذه الموجات إما بشكل بناء أو هدَّام، ونتيجة لذلك، يتم إنتاج نمط حيود.
