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戴维森-革末实验

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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。
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。

戴维森-革末实验柯林顿·戴维森雷斯特·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。

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[1]。根据德布罗意,粒子的能量 与其物质波频率 的关系为

其中,普朗克常数

还有,粒子的动量 与其物质波波长 的关系为

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·爱尔沙色英语Walter M. Elsasser (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射线晶体绕射[2]


1927 年,在贝尔实验室,戴维森与革末将低速电子入射于一个晶体标靶[3]。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。
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 的加速,给予了它们动能 。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 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

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

散射角度 与入射角度 的关系是

代入布拉格定律方程式,则可得到

设定 为镍晶体表面原子与原子之间的距离, 。我们可以计算出,波长是 。这正好是 电子的德布罗意波长。

参阅

参考文献

  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

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