데이비슨-거머 실험

3. 실험 과정

데이비슨과 거머는 니켈 표면에 전자 빔을 쏘아 다양한 각도로 튕겨져 나오는 전자의 수를 관찰하여 니켈 조각의 표면을 연구하고자 했다.^[25] 그들은 전자의 크기가 작기 때문에 가장 매끄러운 결정 표면도 매우 거칠어 전자 빔이 확산 반사될 것이라고 예상했다.^[25]

실험은 전자총에서 나온 전자 빔을 니켈 결정 표면에 수직으로 쏘고, 검출기와 니켈 표면 사이의 각도를 변화시키면서 반사된 전자의 수를 측정하는 방식으로 진행되었다. 전자 검출기는 결정 주위를 호를 그리며 이동할 수 있는 패러데이 컵을 사용했으며, 탄성 산란된 전자만 수용하도록 설계되었다.^[26]

3. 1. 실험 장치

3. 2. 실험 중 문제 발생 및 해결

4. 실험 결과 및 분석

1927년 벨 연구소에서 클린턴 데이비슨과 레스터 거머는 느리게 움직이는 전자를 결정성 니켈 표적에 발사했다. 반사된 전자 세기의 각도 의존성을 측정했고, 브래그가 X선에 대해 예측한 것과 유사한 회절 패턴을 갖는 것으로 결정되었다.^[12][1]

전자총에 가해지는 전압을 변화시켜, 원자 표면에 의해 회절된 전자의 최대 강도가 다른 각도에서 발견되었다. 최대 강도는 54V의 전압에서 의 각도에서 관찰되었고, 이는 전자에 의 운동 에너지를 부여했다.^[2]

이 실험 결과는 드 브로이 가설을 확인했으며, 아서 콤프턴의 콤프턴 효과 발견과 함께 양자역학의 기본 단계인 파동-입자 이중성 가설을 확립했다.^[7]

4. 1. 브래그 법칙

4. 2. 드 브로이 관계식과 실험 결과 비교

5. 실험의 의의 및 영향

1924년 루이 드 브로이는 모든 물질이 광자처럼 파동-입자 이중성을 가진다는 가설을 발표했다.^[34] 이 실험은 드 브로이의 가설을 증명하여, 전자가 파동의 성질을 가지고 있음을 실험적으로 보여주었다. 아서 콤프턴의 콤프턴 산란 실험 결과와 함께, 이 실험은 파동-입자 이중성 가설을 확립하는 데 중요한 역할을 했으며, 이는 양자 이론의 근본적인 발전 단계가 되었다.

19세기 후반 맥스웰 방정식에 따르면 빛은 전자기장의 파동으로, 물질은 국소화된 입자로 구성되어 있다고 생각되었다. 그러나 1905년 알베르트 아인슈타인의 광전 효과에 관한 논문에서 빛을 이산적이고 국소화된 에너지 양자(현재 광자라고 불림)로 묘사하면서 이 이론에 대한 의문이 제기되었다.^[2] 1924년 루이 드 브로이는 물질의 파동-입자 이중성 이론을 발표하여, 모든 물질이 광자의 파동-입자 이중성을 나타낸다는 아이디어를 제시했다.

1927년 벨 연구소에서 클린턴 데이비슨과 레스터 거머는 니켈 결정에 느리게 움직이는 전자를 쏘는 실험을 진행했다.^[36] 반사된 전자의 각도에 따른 세기를 측정한 결과, X-선에서 브래그가 예측한 것과 같은 회절 현상이 나타났다.^[36] 조지 패짓 톰슨 역시 독립적인 실험을 통해 전자의 회절 현상을 증명했다.^[34]

데이비슨과 톰슨은 이 공로를 인정받아 1937년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.^[2][5] 데이비슨-거머 실험은 전자의 파동성을 증명했을 뿐만 아니라, 저에너지 전자 회절(LEED)과 같이 표면의 결정 구조를 분석하는 기술의 발전에도 영향을 미쳤다.

6. 현대적 응용

데이비슨-거머 실험에서 사용된 특정 접근 방식은 저에너지 전자를 사용했는데, 이는 현재 저에너지 전자 회절(LEED)이라고 불린다. 초고진공 기술을 활용한 실험적 방법의 개발(예: 1953년 알퍼트가 설명한 접근 방식^[16])은 훨씬 나중에 이루어졌으며, 이를 통해 결정화된 원소의 표면과 원자 간의 간격을 탐구하기 위해 LEED 회절을 광범위하게 사용할 수 있게 되었다.^[17]

진공관의 신뢰성이 충분히 높아져 전자 회절 기술을 확장할 수 있게 된 것은 1960년대였으며, 그 이후 LEED 회절을 사용하여 결정으로 된 원자의 표면과 원자 간 간격이 조사되고 있다.

참조

_[1] 간행물 Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel 1927
_[2] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles John Wiley & Sons
_[3] 서적 Biographical Memoirs National Academy Press
_[4] 간행물 Theorie der Beugung von Elektronen an Kristallen https://onlinelibrar[...] 1928
_[5] 웹사이트 Clinton Joseph Davisson and George Paget Thomson for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation
_[6] 간행물 How to almost win the physics Nobel https://pubs.aip.org[...] 2016-09-29
_[7] 웹사이트 Arthur Holly Compton for his discovery of the effect named after him and Charles Thomson Rees Wilson for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 1927
_[8] 문서 The Scattering of Electrons by Nickel
_[9] 문서 University Physics, Ed. 11. Pearson Education, Addison Wesley, San Francisco
_[10] 문서 The Scattering of low Speed Electrons by Platinum and Magnesium
_[11] 간행물 Electron diffraction: fifty years ago http://www.if.ufrj.b[...]
_[12] 간행물 The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel https://commons.wiki[...]
_[13] 웹사이트 Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel http://hermes.ffn.ub[...] 1927-12
_[14] 간행물 Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel
_[15] 간행물 An Undulatory Theory of the Mechanics of Atoms and Molecules https://link.aps.org[...] 1926
_[16] 간행물 New Developments in the Production and Measurement of Ultra High Vacuum https://pubs.aip.org[...] 1953
_[17] 서적 Low-Energy Electron Diffraction https://archive.org/[...] Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York 1986
_[18] 간행물 Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel
_[19] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles John Wiley & Sons
_[20] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles John Wiley & Sons
_[21] 서적 Biographical Memoirs http://www.nap.edu/o[...] National Academy Press
_[22] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles John Wiley & Sons
_[23] 웹사이트 Clinton Joseph Davisson and George Paget Thomson for their experimental discovery of the diffraction of electrons by crystals https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 2019-05
_[24] 웹사이트 Arthur Holly Compton for his discovery of the effect named after him and Charles Thomson Rees Wilson for his method of making the paths of electrically charged particles visible by condensation of vapour https://www.nobelpri[...] The Nobel Foundation 1927 2019-05
_[25] 문서 University Physics, Ed. 11. Pearson Education, Addison Wesley, San Francisco
_[26] 문서 University Physics, Ed. 11. Pearson Education, Addison Wesley, San Francisco
_[27] 간행물 Electron diffraction: fifty years ago http://www.if.ufrj.b[...]
_[28] 간행물 Electron diffraction: fifty years ago http://www.if.ufrj.b[...]
_[29] 간행물 The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel
_[30] 문서 http://hermes.ffn.ub[...]
_[31] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles John Wiley & Sons
_[32] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles John Wiley & Sons
_[33] 간행물 Reflection of Electrons by a Crystal of Nickel
_[34] 서적 Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles https://archive.org/[...] John Wiley & Sons
_[35] 웹인용 Walter m. Elsasser http://www.nap.edu/o[...] National Academies Press 2008-08-26
_[36] 저널 The scattering of electrons by a single crystal of nickel 1927-04-16