P 71: Elektronenbeugung an Kristallen

 11.4 Elektronenbeugung an Kristallen

11.4.1 Mit Zufall zum Erfolg

Clinton J. Davisson (1881-1958) untersuchte mit seinem Assistenten Lester H. Germer (1896-1971, übrigens ein begeisterter Extremkletterer, der 1971 am Berg einen Herzinfarkt bekam...)) Nickelmetalle. Ihr Ziel war es herauszufinden, ob Nickel für Telekommunikationsgeräte das teurere Platin ersetzen kann.

Davisson (links) und Germer

 Sie beschossen im Vakuum Nickel mit energiearmen Elektronen und untersuchten deren, meist gleichmäßige, Rückstreuung.

Dann entstand ein Riss in der Vakuumapparatur, Sauerstoff strömte ein und oxidierte die Nickeloberfläche.

Durch Ausheizen versuchten sie die Oxidschicht abzusprengen und wiederholten ihre Versuche. Plötzlich wurden die Elektronen nur noch in bestimmte Richtungen zurückgestreut.

Duch Beugung von Röntgenstrahlen am Nickel erkannten sie, dass durch das Ausheizen aus dem Nickelmetall ein Nickelkristall geworden war. Sie interessierten sich aber weniger dafür, dass das Beugungsbild der Röntgenstrahlen dem "Rückstreubild" der Elektronen stark ähnelte.

Bei einem urlaub in England hörte Davisson dann von der Materiewellenidee eines de Broglie...und produzierte nun mit seinem Nickelkristall viele Beugungsbidler von Elektronen.

Das brachte ihm dann 1937 den Nobelpreis ein.

(Ich habe langsam den Verdacht, dass nur Nobelpreisträger eine Chance haben, Ideen für deutsche Abituraufgaben zu liefern....).

Aus dem versuch von Davisson und Germer ist das LEED-Verfahren geworden (Low Energy Electron Diffraction), das große Bedeutung in der Chemie und der Oberflächenphysik besitzt. Dort arbeitet man mit Elektronen der Wellenlängen 0,1 nm.

11.4.2 Versuchsaufbau

leifiphysik

Kathode, Anode, Nikckelkristall und Auffänger sind im Vakuum, da sich in Luft die Elektronen nicht ausbreiten würden. Mit dem Potenziometer konnte die Beschleunigungsspannung der Elektronen, damit ihre Geschwindigkeit, also ihre Wellenlänge verändert werden.

Der Auffangbecher, der an ein Ladungsmessgerät angeschlossen war, konnte unter verschiedenen Winkeln die Elektronen auffangen und deren Anzahl messen.

Nur bei bestimmten Wellenlängen ergaben sich unter bestimmten Winkeln Interferenzmaxima.

physics astro gsu education

 Das Kristallgitter wirkt wie ein Beugungsgitter (die Bragg-Bedingung lernen wir gleich kennen). Unten ist die Intensität der utner einem bestimmten Winkel gestreuten Elektronen gegen deren Wellenlänge aufgetragen. Man erkennt, dass es nur bei bestimmten Wellenlängen beim vorgegebenen Gitter zu Maxima kommt.

Aus der über Röntgenstrahlung bekannten Kristallstruktur (machen wir gleich...), konnten Davisson und Germer die de Broglie-Idee der Materiewellen bestätigen.

Nun  schauen wir uns den entsprechenden Schulversuch an.