电子衍射现象的发现

电子衍射现象的发现

发现的背景

20 世纪 20年代中期是物理学发展的关键时期。 波动力学已经由薛定谔在德布罗 意的物质波假说的基础上建立了起来， 和海森伯从不同途径创立的矩阵力学， 共 同形成微观体系的基本理论。这一巨大变革的实验基础自然成了人们关切的课 题，这就激励了许多物理学家致力于证实粒子的波动性。

人物介绍

图 10.2 G.P.汤姆生

G.P. 汤姆生

1892-1975 英国阿伯登大学实验物理学家

电子衍射的发现者

1937 年诺贝尔物理学奖

- 因用晶体对电子衍射所作出的实验发现

戴维森

1881年 10 月 22日出生在美国伊利诺斯州的布鲁明顿( Bloomington )，早年在 布鲁明顿公立学校读书。

l902 年中学毕业后， 由于他的数学和物理成绩优异而获得芝加哥大学的奖学金， 于当年 9 月进入芝加哥大学，在那里受教于密立根，曾一度当过密立根的助手， 后来戴维森到普林斯顿( Princeton )大学工作，从事电子物理学的研究实习。

1917 年转入西部电气公司的工程部(后来叫贝尔电话实验室)从事研究工作， 成绩卓著。

1921 年，他和助手康斯曼( C.H.Kunsman )在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发 现，镍靶上发射的“二次电子”竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量， 显然是在金属反射时发生了弹性碰撞， 他们特别注意到 “二次电子” 戴维森

Clinton Joseph Davisson Sir George Paget Thomson

1881-1958 美国贝尔电话实验室实验物理学家 电子衍射的发现者 1937年诺贝尔物理学奖 -因用晶体对电子衍射所作出的实验发 图 10.1 戴维

的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。戴维森抓住这一现象，持续研究了五六年。

1927 年找到了量子力学作为自己实验的指南，从而解释并完善了反常的电子散射曲线，证实这正是理论家梦寐以求的电子衍射现象。他的富有戏剧性的经历可以给后人提供非常有益的启示。

1958年2月1日戴维森逝世于美国夏洛茨维尔，享年77岁。戴维森的研究集中在两个领域，一是热电子发射，一是二次电子发射。由于他高超的实验技术和严谨的科学态度，没有放过出乎意料的反常现象，经过反复实验和研究，终于在量子力学理论的指导下率先找到了电子衍射的实验证据。

G.P.汤姆生是J.J. 汤姆生的独生子，1892年5月3日出生于剑桥，在剑桥读中学，后入剑桥大学。作为三一学院的学生，他先学数学，后学物理，在父亲的指导下刚作了一年科学研究，就爆发了1914-1918 年的世界战争。他加入了女王步兵团，是一名中尉军官，在法国服役了一段很短的时间。后来到法恩巴劳( Farnborough )从事飞机稳定性和空气动力学问题的研究，在整个大战期间，他在不同的机构里都是研究这方面的问题。这期间他曾随英国军事使团在美国呆了八个月。

战后，他在剑桥神学院作了三年研究员和讲师，然后继续研究物理学。1919 年，27 岁的G.P.汤姆生出版了专著《应用空气动力学》。

1928年跟他父亲合写过名著：《气体放电》。

1922年，30岁的G.P.汤姆生成为阿伯登( Aberdeen)大学的自然哲学教授。1952年任伦敦大学荣誉退休教授。

1975年9月10日在剑桥逝世，享年83岁。

戴维逊的低速电子散射实验

1921 年, 戴维森和助手康斯曼( C.H.Kunsman)在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发现了电子衍射的迹象。这一迹象就是镍靶上发射的“二次电子” 竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量，显然是在金属反射时发生了弹性碰撞，他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。他们仿照卢瑟福a 散射实验试图用原子核对电子的静电作用力解释这一曲线。显然，他们没有领悟到这是一种衍射现象。

后来，戴维森花了两年多的时间继续这项研究，设计和安装了新的仪器设备，并用不同的金属材料作靶子。工作虽然没有多大进展，但却为以后的工作作了技术准备。

1925 年，戴维森和他的助手革末( L.H.Germer )又开始了电子束的轰击实验。一次偶然的事件使他们的工作获得了戏剧性的进展。有一天，正当革末给管子加热、去气，用于吸附残余气体分子的炭阱瓶突然破裂了，空气冲进了真空系统，致使处于高温的镍靶严重氧化。过去这种事情也发生过，整个管子只好报废。这次戴维森决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热、给阴极去气。经过两个月的折腾，又重新开始了正式试验。在这中间，奇迹出现了。1925年5 月初，结果还和1921年所得差不多，可是5 月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值。他们立即采取措施，将管子切开，看

看里面发生了什么变化。经公司一位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面。他们断定散射曲线的原因就在于原子重新排列成晶体阵列。

这一结论促使戴维森和革末修改他们的实验计划。既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶镍，并切取一特定方向来做实验。他们事前并不熟悉这方面的工作，所以前后花了近一年的时间，才准备好新的镍靶和管子。有趣的是，他们为熟悉晶体结构做了很多X 衍射实验，拍摄了很多X 衍射照片，可就是没有将X衍射和他们正从事的电子衍射联系起来。他们设计了很精巧的实验装置，镍靶可沿入射束的轴线转360°，电子散射后的收集器也可以取不同角度，显然他们的目标已从探索原子结构，转向探索晶体结构。

1926年8月10日,英国科学促进会在牛津开会。戴维森在会议上听到著名德国物理学家玻恩（M.Born）讲到，戴维森和康斯曼从金属表面反射的实验有可能是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的证据。会议之后，戴维森与里查森找到玻恩和其他一些著名的物理学家，让他们看新近得到的单晶曲线，并且进行了热烈的讨论。在回美国的航程中，戴维森把时间用来阅读薛定谔的著作。显然他从牛津的讨论中有所启示，也许从这里可以找到解释。回到纽约后，戴维森立即和革末一起研究薛定谔的论文，但是计算结果跟实验所得结果相差甚远。于是，他们索性放弃原来的实验，投入到一项进行全面研究的计划中去。这时，他们已经完全“不自觉”的状态转到“自觉”地寻找电子波的实验证据中来了。

图10.3 戴维森的电子衍射实验装置原理图

1926年12月，全面的研究开始了。经过2-3 个月的紧张工作，取得了一系列成果，整理后发表于1927年12月“物理评论”上，论文系统地叙述了实验方法和实验结果。