戴維森-革末實驗

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柯林頓·戴維森(左邊)和雷斯特·革末(右邊),1927 年。戴維森手中拿著電子繞射實驗的儀器。

戴維森-革末實驗柯林頓·戴維森雷斯特·革末設計與研究成功的一個量子力學實驗。他們用低速電子入射於鎳晶體,取得電子的繞射圖案。發表於 1927 年,這實驗為德布羅意假說(所有物質都具有的性質,即波粒二象性),提供了不可否定的證據。因此,戴維森獲得了諾貝爾物理學獎。在量子力學的發展史上,這實驗證實了其正確性,使得那時剛創立的量子力學,獲得了物理學家的廣泛接受。

歷史[编辑]

1924 年,路易·德布羅意發表了他的博士論文。在論文裏,他建議一個新穎的點子:所有的物質都具有波的性質[1]。根據德布羅意,粒子的能量 E\,\! 與其物質波頻率 \nu\,\! 的關係為

E=h\nu\,\!

其中,h\,\!普朗克常數

還有,粒子的動量 p\,\! 與其物質波波長 \lambda\,\! 的關係為

p=\frac{h}{\lambda},\,\!

這關係稱為德布羅意關係

1926 年,在知道戴維森-革末實驗的初步結果之後,瓦爾特·愛爾沙色 (Walter Elsasser) 試著尋找一個能夠解釋這結果的理論。他發覺,這是電子的繞射現象,類似於 X射線晶體繞射[2]


1927 年,在貝爾實驗室,戴維森與革末將低速電子入射於一個晶體標靶[3]。他們細心地測量散射到每個角度的電子強度。他們發覺繞射圖案與威廉·布拉格預測的 X射線的繞射圖案相同。戴維森-革末實驗證實了德布羅意假說的正確性。這個實驗與康普頓散射實驗,證實了量子力學理論的一個基本角柱:波粒二象性。

實驗[编辑]

實驗設計圖。

在戴維森-革末實驗裏,一個電子槍連續地射出一束電子,以直角角度,入射在一個鎳晶體(垂直於晶體的表面)。電子槍內部的金屬絲,在經過加熱後,釋放出熱受激態電子。這些電子經過位勢差 V\,\! 的加速,給予了它們動能 eV\,\! 。在與鎳晶體碰撞後,電子會朝各個方向散射出去。使用電子偵測器,可以測量出來電子的散射強度與散射角度的數據關係。在散射角度為 50^{\circ}\,\! 的方向,戴維森與革末發現散射強度特別顯著。

布拉格定律 (Bragg's law) 的方程式為

n\lambda=2d\sin \theta\,\!

其中,n\,\! 是正值整數,\lambda\,\! 是波長,d\,\! 是晶體表面原子與原子之間的距離,\theta\,\! 是入射線與晶體平面之間的角度。

散射角度 \phi\,\! 與入射角度 \theta\,\! 的關係是

\theta=90^{\circ} - \frac{\phi}{2}\,\!

代入布拉格定律方程式,則可得到

n\lambda=2d\sin \left(90^{\circ} - \frac{\phi}{2}\right) =2d\cos(\phi/2) \,\!

設定 n=1\,\!d=0.091 nm\,\! 為鎳晶體表面原子與原子之間的距離,\phi=50^{\circ}\,\! 。我們可以計算出,波長是 \lambda=0.165nm\,\! 。這正好是 54 eV\,\! 電子的德布羅意波長。

參閱[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ R. Eisberg, R. Resnick. Chapter 3 – de Broglie's Postulate—Wavelike Properties of Particles//Quantum Physics: of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles 2nd Edition. John Wiley & Sons. 1985. ISBN 0-471-87373-X. 
  2. ^ Rubin, Harry. Walter m. Elsasser. National Academies Press. [2008-08-26]. 
  3. ^ C. Davisson, L. H. Germer. Reflection of electrons by a crystal of nickel. Nature. 1927,. Vol. 119: 558–560. 

外部链接[编辑]