1927 yılında ABD’li fizikçiler Clinton Davisson ve Lester Germer tarafından gerçekleştirilen bu deneyi bana kısaca tarif et diye sorulsa 
idi, en uygun tarifin kuantum mekaniğinin bugünlere gelmesini sağlayan temel bir basamak olduğunu düşünüyorum derdim. Ki öyledir, bu deney ile de Broglie’nin hipotezi gerçek bir destek bulmuştu dahası elektronun dalga doğası gözler önüne serilmişti. Birçok popüler bilim okuyucusu kuantum mekaniğindeki bu önemli adımı pek önemseyememiş olabilir ama bugünlerde biz kuantum mekaniğinden, kuantumdan bahsediyorsak sanırım bu deneye borçluyuz.
de Broglie Hipotezi
Her şeyden önce bu deneyin sonuçlarını kavrayabilmek adına de Broglie hipotezinden bahsetmek gerekir. 1923 yılında genç Fizikçi Louis de Broglie doktora tezinde fotonların hem dalga hem de parçacık özelliklere sahip olduklarından maddenin diğer şekillerinin de bu şekilde ikili özelliğe sahip olma ihtimallerinin var olduğu şeklinde bir tez ortaya attı. Fotonlardan yola çıkarak başladığı bu tezi, çok fazla zaman geçmeden (bence şanslı bir bilim insanıymış) Davisson- Germer deneyi ile doğrulandı.
de Broglie dalga boyu:
λ(lamda) = h / p
Tarihsel Süreç*
1923 yılında de Broglie’nin maddenin hem dalga hem de parçacık özelliği sergileyeceği öngörüsü bütünüyle spekülasyon olarak karşılandı. Elektron gibi parçacıklar dalga özelliklerine sahipseler, doğru koşullar altında kırınım etkileri sergilemeliler. Yalnızca üç – dört yıl sonra Birleşik Devletlerden C.J. Davisson ve L.H. Germer elektronların dalga boyunu ölçmeyi başardılar. Onların bu önemli keşfi de Broglie tarafından öngörülen madde dalgaları için ilk deneysel doğrulama oldu.
Buradaki ilginç nokta, ilk Davisson-Germer deneyinin amacının de Broglie hipotezini doğrulamak olmamasıdır. Gerçekte keşifleri bir kaza sonucu ortaya çıktı. Deneyde vakumda düşük enerjili elektronların nikel hedef üzerinden saçılmaları inceleniyordu. Deneylerden birindeki vakum sistemindeki bir çatlak nedeniyle nikel yüzey fena halde oksitlenmişti. Oksit tabakasını yok etmek için hedef hidrojen gazi akışı içinde ısıtıldıktan sonra, hedef üzerinde saçılan elektronlar belirli açılarda şiddet maksimum ve minimumları oluşturdular. Deneyciler sonunda ısıtma sonucunda nikel üzerinde büyük kristalleşmiş bölgeler oluştuğunu ve bu bölgelerdeki düzenli aralıklarda dizilmiş atomların elektron madde dalgaları için kırınım ağı gibi iş gördüklerini anladılar.
Kısa bir süre sonra Davisson ve Germer tek kristal hedeflerden saçılan elektronlarla daha yoğun kırınım ölçümleri yaptılar. Buldukları sonuçlar elektronların dalga yapısını kesinlikle ortaya koydu ve p=h/lamda bağıntısını doğruladı. Aynı yıl Iskoçyalı G.P. Thomson çok ince altın levhalardan elektronlar geçirerek elektron kırınım desenlerini gözledi. O zamandan beri helyum atomları, hidrojen atomları ve nötronların oluşturduğu kırınım desenleri gözlenmiştir. Böylece madde dalgalarının evrensel doğası çeşitli yollarla ortaya çıkarılmıştır.
Madde ve ışımanın ikili doğasını anlama problemi mantıksal olarak zordur, çünkü bu iki model birbirleri ile çelişki içinde gibi görünürler. Bohr bu problemin çözümüne, madde ve ışımanın dalga ve parçacık modellerinin birbirlerini tamamladığını ifade eden tamamlama ilkesi ile yardımcı olmuştur. Hiçbir model tek başına madde veya ışımayı yeterli bir şekilde açıklamak için kullanılamaz. İnsanoğlu yalnızca günlük hayattaki deneyimlerine dayalı zihinsel görüntüler üretebilmesi nedeniyle, kuantum dünyasından gelen herhangi bir veri takımını açıklamak için her iki anlatımı, birbirlerini tamamlayacak şekilde kullanıyoruz.
Hayalleri gerçeğe çeviren deney: Davisson-Germer deneyi
Bu deney, de Broglie’nin hipotezini doğrulayarak elektronun dalga doğasını açıkladı. Davisson- Germer kırınım desenlerine benzer desenler oluşturdu ve bir metal yüzeyinden saçılan elektronların enerjilerini ölçebilmek amacıyla bir vakum aparatı yaptılar. Belli bir voltaj uygulanarak ısıtılmış bir filaman ile elektronlar hızlandırılarak nikel metali yüzeyine vurmaları sağlandı ve böylece elektronlar saçıldı.
Elektron demeti nikel hedefine yöneldiğinde, saçılan elektronların açısal olarak dağıldıkları gözlendi. Onların elektron dedektörü (Faraday kutusuna benzer) farklı açılara saçılmış elektronları gözlenebilmesi için elverişli idi. O dedektör büyük bir sürpriz yaparak saçılan elektronları kesin açılarda en yoğun oldukları noktayı (maksimum şiddet noktası) buldu. Işte bu nokta elektronların dalga davranışının kanıtı idi ve Bragg yasası ile yorumlanarak nikel kristalinin içindeki örgü aralıklarının değerlerini verdi.
Bragg yasasının kullanımı, de Broglie dalga boyu ifadesi ve hızlandırılmış elektronların kinetik enerji ile verilen bağıntı :
Davisson “Elektron Dalgaları Var Mı?” [Franklin Institute Journal 205, 597 (1928)] adlı makalesinde kullandığı verileri burada örneklersek, 54 volt altında hızlandırılan elektronlar 50 derecede maksimuma ulaşıyorlar. Bragg yasası ile 65 derecede saçıldıkları ve bu açı için 0.092 nm lik örgü aralığı hesaplandı. Bu örgü aralığı ile açı için dalga boyu aşağıdaki gibi voltajın fonksiyonu olarak bulunur.
Bu teorik bulguların deneyde gerçekleşmesi elektronların dalga özelliğini göstermekte idi. Bir elektronun ya da bir parçacığın dalga boyunu bulmak demek onun bir dalga olduğunu göstermek demektir.
Davisson-Germer deneyinin sonuçları
Davisson – Germer deneyi, kritik bir öneme sahip olan de Broglie hipotezini doğruladı hatta elektronların dalga olarak da davranabileceklerini söyledi. Davisson ve Germer 1927 yılında böylece elektronların ilk kez girişim yaptıklarını bulan insanlar olmuşlardı. Bu kritik önemi daha da açıklarsak, bu deneyin kuantum mekaniğinin ve Schrödinger’in dalga denkleminin kurtarıcısı olarak düşünebilirsiniz.
Bu deney, Arthur Compton’un sevdiği bir deney; ışığın parçacıksal doğasını da kabul etmesinden dolayı, de Broglie hipotezinin maddenin dalga doğasını ve dalga-parçacık ikiliği hipotezini de tamamlamaktadır, kuantum teorisinin içinden gelen bir adımdı bu deney.
Deneyin yapıldığı dönemi anlamaya çalışırsak Einstein kuantum çalışmalarını bir zorlama olarak görüyor, çoğu dahi ve kendisini dünyada kanıtlamış örneğin Rutherford gibi Fizikçiler kuantum alanındaki çalışmaları gerçekçi olarak görmüyor iken bu deneyin gerçekleşmesi, de Broglie’nin hipotezini desteklemesi inanılır gibi değildi ama gerçekti. Bu deneyden sonra kuantum alanındaki çalışmaların artarak devam ettiği nispeten söylenebilir ki bunu söylemek için de iki temel geçerli nedenimiz var birincisi de Broglie hipotezinin doğrulanması diğeri de Schrödinger’in dalga denkleminin bu deneyden büyük bir destek alması. Netice itibarı ile kuantum için bir sıçrayış noktası oldu Amerikalıların deneyi.
Hazırlayan: Gökhan Atmaca / http://facebook.com/anadoluca | http://twitter.com/kuarkatmaca / Tarih: 06.06.08
Gazi Üniversitesi Fizik Bölümü – Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar:
- Fizik 3, Serway-Beichner, Çeviri editörü: Prof.Dr. Kemal ÇOLAKOĞLU, Palme yayıncılık *
- http://en.wikipedia.org/wiki/Davisson-Germer_experiment
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/quantum/davger2.html **
