戴维森-革末实验

戴维森-革末实验是柯林顿·戴维森与雷斯特·革末设计与研究成功的一个量子力学实验。他们用低速电子入射于镍晶体，取得电子的绕射图案。发表于 1927 年，这实验为德布罗意假说（所有物质都具有波的性质，即波粒二象性），提供了不可否定的证据。因此，戴维森获得了诺贝尔物理学奖。在量子力学的发展史上，这实验证实了其正确性，使得那时刚创立的量子力学，获得了物理学家的广泛接受。

柯林顿·戴维森（左边）和雷斯特·革末（右边），1927 年。戴维森手中拿著电子绕射实验的仪器。

历史

1924 年，路易·德布罗意发表了他的博士论文。在论文里，他建议一个新颖的点子：所有的物质都具有波的性质。根据德布罗意，粒子的能量 $E\,\!$ 与其物质波的频率 $\nu \,\!$ 的关系为

$E=h\nu \,\!$ ；

其中，$h\,\!$ 是普朗克常数；

还有，粒子的动量 $p\,\!$ 与其物质波的波长 $\lambda \,\!$ 的关系为

$p={\frac {h}{\lambda }},\,\!$ 。

这关系称为德布罗意关系。

1926 年，在知道戴维森-革末实验的初步结果之后，瓦尔特·爱尔沙色 (Walter Elsasser) 试著寻找一个能够解释这结果的理论。他发觉，这是电子的绕射现象，类似于 X射线的晶体绕射。

1927 年，在贝尔实验室，戴维森与革末将低速电子入射于一个镍晶体标靶。他们细心地测量散射到每个角度的电子强度。他们发觉绕射图案与威廉·布拉格预测的 X射线的绕射图案相同。戴维森-革末实验证实了德布罗意假说的正确性。这个实验与康普顿散射实验，证实了量子力学理论的一个基本角柱：波粒二象性。

实验

实验设计图。

在戴维森-革末实验里，一个电子枪连续地射出一束电子，以直角角度，入射在一个镍晶体（垂直于晶体的表面）。电子枪内部的金属丝，在经过加热后，释放出热受激态电子。这些电子经过位势差 $V\,\!$ 的加速，给予了它们动能 $eV\,\!$ 。在与镍晶体碰撞后，电子会朝各个方向散射出去。使用电子侦测器，可以测量出来电子的散射强度与散射角度的数据关系。在散射角度为 $65^{\circ }\,\!$ 的方向，戴维森与革末发现散射强度特别显著。

布拉格定律 (Bragg's law) 的方程式为

$n\lambda =2d\sin \theta \,\!$ ；

其中，$n\,\!$ 是正值整数，$\lambda \,\!$ 是波长，$d\,\!$ 是晶体表面原子与原子之间的距离，$\theta \,\!$ 是入射线与晶体平面之间的角度。

散射角度 $\phi \,\!$ 与入射角度 $\theta \,\!$ 的关系是

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

代入布拉格定律方程式，则可得到

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

设定 $n=1\,\!$ ，$d=0.091nm\,\!$ 为镍晶体表面原子与原子之间的距离，$\phi =50^{\circ }\,\!$ 。我们可以计算出，波长是 $\lambda =0.165nm\,\!$ 。这正好是 $54eV\,\!$ 电子的德布罗意波长。

参阅

• 光电效应
• 莫塞莱定律

外部链接

• 乔治亚州州立大学（Georgia State University）线上物理网页：戴维森－革末实验 （页面存档备份，存于互联网档案馆）