戴維森-革末實驗

戴維森-革末實驗

戴維森-革末實驗是柯林頓·戴維森與雷斯特·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,取得電子的衍射圖案。發表於 1927 年,這實驗為德布羅意假說(所有物質都具有波的性質,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

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

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其中,是普朗克常數;

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還有,粒子的動量與其物質波的波長的關係為

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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,這是電子的衍射現象,類似於X射線的晶體衍射。

1927 年,在貝爾實驗室,戴維森與革末將低速電子入射於一個鎳晶體標靶。他們細心地測量散射到每個角度的電子強度。他們發覺衍射圖案與威廉·布拉格預測的X射線的衍射圖案相同。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

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在戴維森-革末實驗裡,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的加速,給予了它們動能。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) 的方程為

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

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散射角度與入射角度的關係是

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代入布拉格定律方程,則可得到

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設定,為鎳晶體表面原子與原子之間的距離,。我們可以計算出,波長是。這正好是電子的德布羅意波長。

參閱

•光電效應

•莫塞萊定律

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