Эксперимент Дэвиссона и Джермера (1927 г.) стал краеугольным камнем квантовой механики. С его помощью учёные наглядно продемонстрировали, что частицы вещества при определённых условиях проявляют волновые характеристики. Это подтверждение гипотезы Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, высказанной в 1924 году, навсегда изменило понимание микромира.
С 1921 года Дэвиссон с Чарльзом Кунсманом публиковал статьи о рассеянии электронов кристаллами металлов. Прорыв произошёл в 1925 году, когда аспирант Вальтер Эльзессер обратил внимание, что волновую природу материи можно исследовать через рассеяние в твёрдых телах. Он опирался на диссертацию Луи де Бройля, постулировавшего, что любая материя обладает двойственной природой, и вывел формулу длины волны частицы: λ = h / (m * v), где h — постоянная Планка, m — масса, v — скорость.
Летом 1926 года Макс Борн озвучил идею Эльзессера на конференции в Оксфорде. Присутствовавший там Дэвиссон осознал значимость своих наблюдений и обсудил их с Максом Борном и Джеймсом Франком, узнав о волновой механике Шрёдингера. Воодушевлённый теорией, Дэвиссон вернулся в Нью-Йорк для практического доказательства волновой природы электронов.
Ключевую роль сыграл случай. В 1925 году в лабораториях Bell вакуумная колба с поликристаллическим никелем разбилась из-за взрыва сосуда с жидким кислородом, и металл окислился. Для очистки образец долго нагревали в вакууме и водороде, что непреднамеренно превратило его в крупный монокристалл. При возобновлении опытов максимальное отражение электронов стало наблюдаться под строго определёнными углами, как при дифракции рентгеновских лучей.
Установка включала электронную пушку, генерирующую пучок за счёт термоэлектронной эмиссии с нагретой вольфрамовой ленты. Электроны ускорялись разностью потенциалов от 15 до 350 вольт. Пучок диаметром 1 мм направлялся на монокристалл никеля с гранецентрированной кубической решёткой, способный вращаться вокруг оси падения.
Дифрагированные электроны улавливались детектором на основе клетки Фарадея и гальванометра, поворачивающимся на угол от 20° до 90° для измерения интенсивности потока. Процесс шёл в глубоком вакууме (давление около 10^-6 мм рт. ст.) для исключения столкновений с молекулами воздуха.
Учёные зафиксировали чёткие максимумы интенсивности, необъяснимые с позиции классической частицы. Мощный максимум зарегистрирован при напряжении 54 В и угле рассеяния 50°. Это явление напоминало дифракцию рентгеновских лучей, открытую Максом фон Лауэ. Подобно тому, как истинный ценитель точно знает, где и как
Дифракция возникает, когда длина волны сопоставима с межатомными расстояниями (постоянная решётки никеля D = 215 пм). Происходит зеркальное рассеяние, а отражённые лучи интерферируют. Условие конструктивной интерференции: разность хода лучей равна длине волны. По формуле Брэгга: λ = D * sin(α) = 215 пм * sin(50°) ≈ 165 пм.
Для проверки гипотезы это значение сравнили с теоретическим. Согласно формуле де Бройля, λ = h / p. Для электрона, ускоренного напряжением ΔV, кинетическая энергия равна e * ΔV. При нерелятивистских скоростях импульс p = √(2 * m * e * ΔV). Подставив константы и напряжение 54 В, учёные получили теоретическую длину волны, поразительно близкую к экспериментальным 165 пм. Это совпадение стало неоспоримым доказательством волновой природы материи, открыв новую эру в квантовой физике.