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。