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戴维森-革末实验
✍ dations ◷ 2025-04-02 13:37:36 #戴维森-革末实验
戴维森-革末实验是克林顿·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,取得电子的衍射图案。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。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
{displaystyle E,!}
与其物质波的频率
ν
{displaystyle nu ,!}
的关系为其中,
h
{displaystyle h,!}
是普朗克常数;还有,粒子的动量
p
{displaystyle p,!}
与其物质波的波长
λ
{displaystyle lambda ,!}
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) 试着寻找一个能够解释这结果的理论。他发觉,这是电子的衍射现象,类似于 X射线的晶体衍射。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。他们发觉衍射图案与威廉·布拉格预测的 X射线的衍射图案相同。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。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
{displaystyle V,!}
的加速,给予了它们动能
e
V
{displaystyle 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
50
∘
{displaystyle 50^{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) 的方程为其中,
n
{displaystyle n,!}
是正值整数,
λ
{displaystyle lambda ,!}
是波长,
d
{displaystyle d,!}
是晶体表面原子与原子之间的距离,
θ
{displaystyle theta ,!}
是入射线与晶体平面之间的角度。散射角度
ϕ
{displaystyle phi ,!}
与入射角度
θ
{displaystyle theta ,!}
的关系是代入布拉格定律方程,则可得到设定
n
=
1
{displaystyle n=1,!}
,
d
=
0.091
n
m
{displaystyle d=0.091nm,!}
为镍晶体表面原子与原子之间的距离,
ϕ
=
50
∘
{displaystyle phi =50^{circ },!}
。我们可以计算出,波长是
λ
=
0.165
n
m
{displaystyle lambda =0.165nm,!}
。这正好是
54
e
V
{displaystyle 54eV,!}
电子的德布罗意波长。
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