Davisson-Germer-Experiment

Bedeutung und Kernaussage

Das Davisson-Germer-Experiment wurde 1927 von Clinton Davisson und seinem damaligen Assistenten Lester Germer an den Bell Laboratories durchgeführt. Es lieferte den ersten experimentellen Nachweis von Interferenzerscheinungen bei materiellen Teilchen und bestätigte damit die 1924 von Louis de Broglie formulierte Hypothese der Materiewellen. Diese besagt, dass Materie Eigenschaften besitzen kann, die denen einer Welle entsprechen. Elektronen können sich unter bestimmten Bedingungen daher nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten. Für das Experiment erhielt Davisson 1937 den Nobelpreis für Physik.

Versuchsaufbau und Messung

Der Aufbau bestand im Wesentlichen aus einer Elektronenquelle, einem Metall mit monokristalliner Oberfläche und einem Faraday-Becher in einer Vakuumkammer. Monokristallin bedeutet, dass die Atome des verwendeten Kristalls regelmäßig und einheitlich angeordnet sind.

Die Elektronen wurden auf die Metalloberfläche geschossen. Ihre Geschwindigkeit ließ sich über eine Beschleunigungsspannung regeln. Nach dem Auftreffen wurden sie unter verschiedenen Streuwinkeln θ abgelenkt. Der Faraday-Becher maß die Intensität, also die Anzahl beziehungsweise Stärke der gestreuten Elektronen, in Abhängigkeit vom Winkel θ.

Ein elektrisches Gegenfeld sorgte dafür, dass ausschließlich elastisch gestreute Elektronen erfasst wurden. Bei elastischer Streuung bleibt die kinetische Energie der Elektronen erhalten. Im Originalexperiment von 1927 verwendeten Davisson und Germer einen geschliffenen Nickelkristall; der Elektronenstrahl traf senkrecht auf dessen Oberfläche.

Beobachtung und Erklärung

Nach der klassischen Vorstellung hätte man erwartet, dass die Intensität der gestreuten Elektronen bei allen Winkeln gleich ist – ähnlich wie beim Zusammenstoß harter Kugeln – oder sich nur schwach mit dem Winkel verändert. Tatsächlich entstand jedoch ein Interferenzmuster: Bei bestimmten Winkeln traten deutliche Maxima und Minima der gemessenen Intensität auf.

Interferenz bezeichnet die Überlagerung von Wellen, durch die sich ihre Wirkungen verstärken oder abschwächen können. Das beobachtete Muster zeigte deshalb, dass Elektronen unter den Bedingungen des Experiments Welleneigenschaften besitzen.

Die Winkel, bei denen die Maxima auftraten, entsprachen genau der Bragg-Gleichung. William Lawrence Bragg hatte diese Gleichung 1912 zur Beschreibung der Beugung von Röntgenstrahlung an Kristallen aufgestellt. Beugung ist die charakteristische Ablenkung und Überlagerung von Wellen an geeigneten Strukturen. Beim Davisson-Germer-Experiment wirkte die regelmäßige Anordnung der Atome im Kristall auf die Elektronenwellen. Den Elektronen musste dabei die von de Broglie vorgeschlagene Materiewelle zugeschrieben werden. Ihre Wellenlänge berücksichtigt die im Inneren des Kristalls vergrößerte kinetische Energie der Elektronen.

Vorgeschichte und weitere Entwicklung

Davisson und Germer hatten bereits 1925 zufällig Hinweise auf Interferenz beobachtet. Damals war versehentlich Luft in die Versuchsvorrichtung eingedrungen. Um die dadurch entstandene Oxidschicht zu entfernen, wurde der Nickelkristall erhitzt. Dabei bildeten sich an seiner Oberfläche monokristalline Strukturen, deren Ausdehnung mit der Größe des Elektronenstrahls vergleichbar war.

Louis de Broglie hatte 1924 die Hypothese aufgestellt, dass Materie wellenartige Eigenschaften besitzt. Daraus folgt unter anderem, dass auch Teilchen Interferenz zeigen können. Walter Elsasser schlug 1925 vor, die Welleneigenschaft langsamer Elektronen durch ihre Streuung an Einkristallen nachzuweisen. Davisson und Germer kannten zu Beginn ihres Experiments weder de Broglies Arbeiten noch Elsassers Vorschlag.

Da die Wellenlänge von Elektronen sehr klein ist, müssen auch die Strukturen sehr klein sein, an denen deutliche Beugungserscheinungen auftreten sollen. Ein Elektronenbeugungsversuch am Doppelspalt gelang deshalb erst fast 40 Jahre später: 1959 führte Claus Jönsson an der Universität Tübingen ein entsprechendes Experiment durch.