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量子力学实验 来自维基百科,自由的百科全书
戴維森-革末實驗是克林頓·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,取得電子的繞射圖案。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。
1924 年,路易·德布羅意發表了他的博士論文。在論文裏,他建議一個新穎的點子:所有的物質都具有波的性質[1]。根據德布羅意,粒子的能量 與其物質波的頻率 的關係為
其中, 是普朗克常數;
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) 試着尋找一個能夠解釋這結果的理論。他發覺,這是電子的繞射現象,類似於 X射線的晶體繞射[2]。
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[3]。他們細心地測量散射到每個角度的電子強度。他們發覺繞射圖案與威廉·布拉格預測的 X射線的繞射圖案相同。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。
在戴維森-革末實驗裏,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) 的方程式為
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。
散射角度 與入射角度 的關係是
代入布拉格定律方程式,則可得到
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。
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