Experimento de Davisson-Germer
[4][5] A partir de 1921 Clinton J. Davisson publicó diferentes artículos sobre la dispersión de electrones por cristales de diferentes metales (níquel, aluminio, platino y magnesio), junto con Charles Henry Kunsman.
[10][11][12] Elsässer se basó en la tesis doctoral de 1924 del físico francés Louis-Victor de Broglie, en la que formuló la hipótesis revolucionaria que toda la materia, tales como electrones, átomos o moléculas, presenta características tanto corpusculares como ondulatorias y determinó la longitud de onda asociada a una partícula: .
[3] En 1925 Clinton J. Davisson y Lester H. Germer trabajaban en los Laboratorios Bell de Nueva York, pertenecientes a la compañía de telecomunicaciones estadounidense American Telephone and Telegraph (AT&T), investigando la reflexión de electrones por los metales.
Tuvieron un accidente con una lámpara que contenía un trozo de níquel policristalino dentro del vacío cuando cayó sobre la lámpara un frasco con aire líquido y rompió la lámpara, quedando el níquel, que estaba caliente, expuesto al oxígeno del aire líquido que lo oxidó.
Esto provocó la transformación del cristal policristalino en monocristalino en diferentes zonas y, cuando repitieron el experimento, observaron que no se daban los mismos resultados que antes.
Este descubrimiento hizo cambiar la investigación empleando muestras de níquel monocristalino.
[11][12] Gracias a este congreso, Davisson descubrió la importancia y el significado de su descubrimiento y lo comentó con Owen W .
Richardson, Max Born y James Franck, los cuales también le hablaron de la nueva mecánica ondulatoria que acababa de publicar el físico Erwin Schrödinger.
El níquel tiene una estructura cristalina de tipo cúbica centrada en la cara.
Los electrones eran difractados por níquel y salían con un cierto ángulo que podía ser determinado mediante un detector, constituido por una doble jaula de Faraday y un galvanómetro que podía rotar entre 20 ° y 90 ° respecto de la dirección del haz incidente, al tiempo que medía la intensidad del haz de electrones.
Ambos haces se movían en una cámara donde se había hecho el vacío a una presión entre 2·10-6 mm Hg y 3·10-6 mm Hg.
[5] Davisson y Germer observaron que cuando hacían incidir los electrones acelerados sobre la superficie de níquel se producían máximos de intensidad que no se podían explicar considerando el electrón como una partícula que choca contra una superficie llena de átomos de níquel esféricos, los cuales deberían de dispersar los electrones en todas direcciones.
[16] Sin embargo el fenómeno observado era similar a la difracción de rayos X sobre una superficie cristalina descubierta en 1912 por el físico alemán Max von Laue con sus colaboradores Paul Knipping y Walter Friedrich, lo que le permitió determinar la naturaleza ondulatoria de los rayos X, considerados hasta ese momento como haces de partículas de alta energía.
La difracción de rayos X se produce porque esta radiación electromagnética tiene longitudes de onda muy corta, entre 10 nm y 100 pm, comparables a las distancias interatómicas los cristales (en el níquel esta es
).En este caso se produce una dispersión de una manera especular, por reflexión, por los átomos del cristal, y los diferentes rayos difractados interfieren con interferencias constructivas y destructivas.
Las primeras refuerzan la intensidad del haz y las segundas lo anulan.
se puede deducir con velocidades reducidas, es decir, sin considerar efectos relativistas, a partir de igualar el trabajo eléctrico
y tenemos: Igualando esta expresión en el trabajo eléctrico queda: Como la carga del electrón es negativa podemos escribir finalmente que: La longitud de onda de De Broglie será: Si se sustituye por los valores
Como también lo confirman los datos obtenidos con experimentos con otros voltajes y con haces de electrones que incidían sobre superficies diferentes del cristal.
resulta: Se puede relacionar la distancia interatómica en la superficie del cristal,
La mitad de este ángulo es igual al ángulo que forma la superficie del cristal y la dirección de los planos cristalográficos, ya que la reflexión del haz de electrones cumple la ley de la reflexión (rayo incidente y rayo reflejado forman el mismo ángulo con la normal a la superficie de reflexión).
Así pues, el ángulo entre el haz incidente y la normal es
, y estas dos direcciones son perpendiculares a la superficie del cristal y el plano cristalográfico respectivamente, por lo tanto éstas forman el mismo ángulo
La relación resulta ser: El ángulo entre el haz incidente y el plano cristalográfico,
: o, empleando la identidad trigonométrica del ángulo doble
: que es la ecuación empleada para demostración en el caso de reflexión en la superficie.
[16] Al mismo tiempo que Davisson y Germer realizaban sus experimentos en Inglaterra George Paget Thomson, hijo de Joseph John Thomson que había descubierto el electrón, realizó experimentos similares lanzando rayos catódicos contra finas hojas de diferentes materiales, como celuloide, oro o platino, y fotografió en una pantalla detrás de la hoja una serie de anillos concéntricos semejantes a los producidos por la difracción de las ondas.
La explicación era que los rayos catódicos, formados por electrones, tenían un comportamiento ondulatorio como había predicho Louis-Victor de Broglie en 1924.
Los electrones empleados tienen energías entre los 10 eV y 200 eV, que corresponden a longitudes de onda entre 100 pm y 400 pm.
De esta manera es posible estudiar sólo las superficies, ya que estos electrones sólo son difractados por los átomos de la superficie, o por los más cercanos a ella.
