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。
克林顿·戴维森(左边)和雷斯特·革末(右边),1927 年。戴维森手中拿着电子衍射实验的仪器。
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[1]。根据德布罗意,粒子的能量
与其物质波的频率
的关系为
;
其中,
是普朗克常数;
还有,粒子的动量
与其物质波的波长
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 (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[2]。
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[3]。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。
实验设计图。
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
的加速,给予了它们动能
。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
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,
是正值整数,
是波长,
是晶体表面原子与原子之间的距离,
是入射线与晶体平面之间的角度。
散射角度
与入射角度
的关系是
。
代入布拉格定律方程,则可得到
。
设定
,
为镍晶体表面原子与原子之间的距离,
。我们可以计算出,波长是
。这正好是
电子的德布罗意波长。
C. Davisson, L. H. Germer. Reflection of electrons by a crystal of nickel. Nature. 1927,. Vol. 119: 558–560.