戴维孙-革末实验小故事文科物理讲解

戴维孙-革末实验小故事

1921年，戴维孙和助手康斯曼（C.H. Kunsman）在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发现了电子衍射的迹象。这一迹象就是镍靶上发射的“二次电子”竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量，显然是在金属反射时发生了弹性碰撞，他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。他们仿照卢瑟福α散射实验试图用原子核对电子的静电作用力解释这一曲线。显然，他们没有领悟到这是一种衍射现象。

后来，戴维孙花了两年多的时间继续这项研究，设计和安装了新的仪器设备，并用不同的金属材料作靶子。工作虽然没有多大进展，但却为以后的工作作了技术准备。

1925年，戴维孙和他的助手革末（L.H. Germer）又开始了电子束的轰击实验。一次偶然的事件使他们的工作获得了戏剧性的进展。有一天，正当革末给管子加热、去气，用于吸附残余气体分子的炭阱瓶突然破裂了，空气冲进了真空系统，致使处于高温的镍靶严重氧化。过去这种事情也发生过，整个管子只好报废。这次戴维孙决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热、给阴极去气。经过两个月的折腾，又重新开始了正式实验。在这中间，奇迹出现了。1925年5月初，结果还和1921年所得差不多，可是5月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值。他们立即采取措施，将管子切开，看看里面发生了什么变化。经公司一位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面。他们断定散射曲线的原因就在于原子重新排列成晶体阵列。

这一结论促使戴维孙和革末修改他们的实验计划。既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶镍，并切取一特定方向来做实验。他们事前并不熟悉这方面的工作，所以前后花了近一年的时间，才准备好新的镍靶和管子。有趣的是，他们为熟悉晶体结构做了很多X射线衍射实验，拍摄了很多X射线衍射照片，可就是没有将X射线衍射和他们正从事的电子衍射联系起来。他们设计了很精巧的实验装置，镍靶可沿入射束的轴线转360°，电子散射后的收集器也可以取不同角度，显然他们的目标已从探索原子结构，转向探索晶体结构。

1926年8月10日，英国科学促进会在牛津开会。戴维孙在会议上听到著名德国物理学家玻恩（M. Born）讲到，戴维孙和康斯曼从金属表面反射的实验有可能是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的证据。会议之后，戴维孙与里查孙找到玻恩和其他一些著名的物理学家，让他们看新近得到的单晶曲线，并且进行了热烈的讨论。在回美国的航程中，戴维孙把

时间用来阅读薛定谔的著作。显然他从牛津的讨论中有所启示，也许从这里可以找到解释。回到纽约后，戴维孙立即和革末一起研究薛定谔的论文，但是计算结果跟实验所得结果相差甚远。于是，他们索性放弃原来的实验，投入到一项进行全面研究的计划中去。这时，他们已经完全从“不自觉”的状态转到“自觉”地寻找电子波的实验证据中来了。

1926年12月，全面的研究开始了。经过2～3个月的紧张工作，取得了一系列成果，整理后发表于1927年12月《物理评论》上，论文系统地叙述了实验方法和实验结果。

戴维孙与革末的实验装置极其精巧。整套装置仅长5英寸、高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达10-6Pa。散射电子用一双层的法拉第桶（叫电子收集器）收集，送到电流计测量。收集器内外两层之间用石英绝缘，加有反向电压，以阻止经过非弹性碰撞的电子进入收集器；收集器可沿轨道转动，使散射角在20°~90°的范围内改变。

他们做了大量的测试工作，最后综合了几十组曲线，肯定这是电子束打到镍晶体发生的衍射现象。于是，他们进一步作定量比较。然而，不同加速电压下，电子束的最大值所在的散射角，总与德布罗意公式计算的结果相差一些。他们发现，如果理论值乘0.7，与电子衍射角基本相符。文章发表不久，依卡特（Eckart）指出，这是电子在晶体中的折射率不同所致。至此，电子衍射的现象终于被人们确认。