戴维森－革末实验

根据19世纪末的麦克斯韦方程组，光被认为是由电磁波组成的，物质则被认为是由粒子组成。然而，这一理论在阿尔伯特·爱因斯坦1905年关于光电效应的论文中受到挑战。该论文将光描述为离散的和局域化的能量量子(现在称为光子)，并使他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。1924年，路易·德布罗意提出了他关于波粒二象性理论的论文，该论文提出了所有物质都表现出光子的波粒二象性的观点。^[2]德布罗意认为，对于所有物质和辐射，其中粒子的能量  与其相关波的频率  有着普朗克关系:

粒子的动量  与波长的关系为德布罗意关系:

其中h为普朗克常数。

20世纪20年代，哥廷根的沃尔特·埃尔泽塞尔为戴维森－革末实验做出了重要贡献。他指出物质的波动性质可以由晶体上的电子散射实验来验证，正如X射线的波动性质已通过晶体上的X射线散射实验所证实。^[2][3]

埃尔泽塞尔的这个建议后来被他的同事(后来的诺贝尔奖获得者)马克斯·玻恩传达给了英国的物理学家。当戴维森和革末进行实验时，实验结果就是用埃尔泽塞尔的观点来解释的。然而，戴维森和革末实验的最初目的，并不是为了证实德布罗意假说，而是为了研究镍的表面。

1927年的贝尔实验室里，克林顿·戴维森和雷斯特·革末向结晶镍靶发射慢速的电子。实验测量了反射电子强度的角度相关性，并确定其衍射图样与布拉格预测的X射线衍射图样相同。乔治·佩杰特·汤姆孙也在同一时期，用金属膜演示了相同的电子衍射图样。因此，戴维森和汤姆孙一同分享了1937年的诺贝尔物理学奖。^[2][4]戴维森－革末实验证实了德布罗意假说，即物质具有波动性。这与阿瑟·康普顿(1927年获得诺贝尔物理学奖)发现的康普顿效应相结合，^[5]建立了波粒二象性假说，这一假说正是量子理论的基础之一。

戴维森于1921年就开始着手研究电子轰击和二次电子发射，一系列相关实验一直持续到1925年。

戴维森和革末的实际目标，是通过观察电子束流打在镍片表面后，不同角度下反弹的电子数量，来研究镍片的表面特性。他们预计，由于电子的尺寸很小，即使最光滑的晶体表面也会显得粗糙，因此电子束会发生漫反射。^[6]

该实验包括垂直于镍晶体表面的电子束(来自电子枪，静电粒子加速器)，以及用来测量不同角度反射电子的数量的探测器。电子枪是一个加热的灯丝，它释放热激发的电子，然后通过电势差加速这些电子，给它们一定量的动能，并射向镍晶体。为了避免电子在通向晶体表面的过程中，与其他原子碰撞，实验在真空室中进行。为了测量以不同角度散射的电子数量，使用了可以在晶体周边圆弧路径上移动的法拉第杯电子探测器。探测器被设计成只接受弹性散射电子。

在实验过程中，空气意外进入反应室，并在镍表面产生一层氧化膜。为了去除氧化物，戴维森和革末在高温烘箱加热了样品，但他们不知道这导致样品镍原有的多晶结构变成了大的单晶区域，且晶面在电子束的宽度上连续。^[6]

当他们再次开始实验时，打在晶体表面的点在被晶体平面中的镍原子散射(此时原子之间有规律地间隔)。于是，1925年的实验，产生了有着意外峰值的衍射图案。

在经过了一段时间的休息后，戴维森参加了1926年夏天，在牛津举办的英国科学促进会。在这次会议上，他了解了量子力学的最新进展。令戴维森惊讶的是，梅克斯·玻恩在一个演讲，使用了他在1923年发表于科学上的衍射曲线，并利用这些数据证实了德布罗意假说。^[7]

随后他了解到，在过去的几年中，其他科学家——沃尔特·埃尔泽塞尔、E.G.戴蒙德、布莱克特、詹姆斯·查德威克和查尔斯·埃利斯——都曾尝试过类似的衍射实验，但无法产生足够低的真空或探测到所需的低强度束流。^[7]

回到美国后，戴维森对管道设计和探测器安装进行了改进，除了坐标之外还增加了方位角。随后的实验中，在65伏电压时，45°角处产生了强信号峰值。之后，他在自然上发表了一篇短讯，标题为“镍单晶对电子的散射”。^[8]

但仍然有一些问题需要回答，因此实验一直持续到1927年。^[9]

通过改变施加到电子枪上的电压，可以发现原子表面衍射电子的最大强度所处的角度，也会随之改变。在50°角和54伏电压时观察到最高强度，对应的电子动能为54 eV。^[2]

正如马克斯·冯·劳厄在1912年证明的那样，周期性晶体结构是一种三维衍射光栅。最大反射角由布拉格阵列相长干涉的条件给出，布拉格定律

从先前镍晶体的X射线散射实验可知，对于n = 1、θ = 50，镍的晶面间距为 d = 0.091 纳米。^[2]

根据德布罗意关系，电子的动能为54 eV波长为0.167 nm。根据布拉格定律，实验测量结果是0.165 nm，这与预测非常吻合。正如戴维森和革末在他们1928年的后续论文中所说，“这些结果，包括未能满足布拉格公式的数据，与我们以前在电子衍射实验中获得的结果一致。反射数据不能满足布拉格关系的原因，也是电子衍射束与它们的劳厄束类似物不一致的原因。”^[1]然而，他们补充道，“计算得到的波长与下表所示的理论值非常一致。”^[1]因此，尽管电子能量衍射不遵循布拉格定律，但它确实证实了德布罗意方程。

戴维森和革末意外发现电子衍射，是德布罗意假设的第一个直接证据，即粒子也可以具有波动性。

戴维森对细节的关注、他进行基础研究的资源、同事的专业知识和运气都促成了实验的成功。

直到20世纪60年代，真空管才充分变得可靠，并应用于电子衍射技术，但从那时起，科学家们便已经使用低能电子衍射，来探索结晶元素的表面特性，以及原子之间的间距。