전자의 회절-가상실험

 

| 데이비슨·저머와 톰슨의 전자 회절 실험 |
전자가 파동의 성질을 가진다는 것은 실험적으로 어떻게 알 수 있을까?
영의 실험에서는 이중 슬릿을 통과한 빛의 회절과 간섭 현상에 의해 밝고 어두운 무늬가 나타난다는 것으로부터 빛이 파동이라는 것을 증명하였고, 이를 이용하여 빛의 파장을 잴수도 있었다. 그림 Ⅳ-`19와 같은 가상적인 이중 슬릿 실험을 생각해 보자.

영의 실험에서 빛이 이중 슬릿을 지난 후 스크린을 비추도록 하는 것처럼 이 실험에서는 전자총에서 튀어 나온 전자가 이중 슬릿을 지난 후 형광 물질이 발라진 스크린에 부딪혀 빛을 내도록 하여 전자가 도달한 것을 알게 된다.

만일 전자가 입자성만을 가진다면 스크린에 도달한 전자는 그림 (가)와 같이 각각의 슬릿을 통과한 전자가 직진하여 도달할 수 있는 곳에만 모여 있게 될 것이다. 전자가 파동성을 가진다면 영의 실험에서 명암 무늬와 마찬가지로 스크린에 도달한 전자의 분포는 그림 (나)와 같이 많고 적음이 반복되는 간섭 무늬를 보일 것이다. 즉, (나)의 상황에서 스크린에 도달한 전자의 분포는 어느 슬릿을 지나온 것인가에 대한 확률적 분포가 아니라 각각의 전자가 동시에 두 슬릿을 통과하고 간섭을 한 결과라는 것이다. 특별한 장치를 사용하여 각각의 전자가 어느 슬릿을 통과한 것인지를 조사하면 간섭의 효과가 없어지게 되어 그림 (다)와 같은 결과를 얻게 된다. 우리의 일상적인 경험이나 상식과 맞지 않는 것처럼 보이지만 이것이 드브로이의 물질파 이론이 옳다면 일어나야 하는 현상이다.

 

전자의 파동성은 데이비슨과 저머가 한 실험을 통해서 증명되었다.

 

 

 1927년 벨 연구소에서 이들은 그림 (가)와 같은 니켈 결정에 느리게 움직이는 전자를 쏘았다. 전자의 속도는 전자 총의 전위차를 조정하여 바꿀 수 있다. 튀어 나온 전자의 각도에 따른 분포를 알아보기 위해 검출기의 각도를 변화시키면서 각 각도에서 전자의 수를 측정하였다. 그림 (가)에서 빨간색으로 그린 곡선에서 원점으로부터의 거리는 해당 각도로 튀어 나온 전자의 수를 나타낸다. 그래프에서 볼 수 있는 것처럼 54V의 전위차로 가속한 경우 입사각과 50˘의 각을 이루는 곳에서 튕겨 나오는 전자의 수가 가장 많았다. 그림 (나)와 같이 전자가 니켈 결정 안에서 분자가 만드는 여러 층의 면에서 반사되어 나오고 이때, 마치 얇은 막의 두 경계면에서 반사한 빛처럼 어떤 특별한 각으로 입사할 때 보강 간섭을 일으킨 것으로 해석할 수 있다. 여기에서는 니켈의 결정 안에서 원자의 배열로 만들어지는 면이 막의 역할을 한다. 전자의 파장은 가속시킨 전압으로부터 드브로이의 이론을 통해 정확히 구할 수 있었고 54 V의 경우 1.66 Å이 되었다. 이 결과를 파동에서의 회절과 비교하기 위하여 X선 회절 실험에서 이미 알고 있는 니켈의 결정면 사이의 거리로부터 입사각과 50°의 각을 이루는 곳에서 전자의 수가 최대가 된 파장을 찾아보면 1.65 Å이다. 드브로이의 물질파 이론이 실험으로 검증된 것이다.

1928년 톰슨은 X선의 파장과 동일한 드브로이 파장을 갖는 전자의 회절 모양이 아래 그림과 같이 같다는 것을 보여 전자의 물질파 이론을 다시 한번 증명하였다.

 

내용출처 : 교학사 물리2