戴維森

戴維森1881年10月22日出生在美國伊利諾斯州的布魯明頓（Bloomington），早年在布魯明頓公立學校讀書。1902年中學畢業后，由於他的數學和物理成績優異而獲得芝加哥大學的獎學金，於當年9月進入芝加哥大學，在那裡受教於密立根，曾一度當過密立根的助手，他在大學學習期間因付不起學費，一邊教物理，一邊攻讀，是當時成績最突出的一位學生，深受密立根喜愛，後來戴維森到普林斯頓（Princeton）大學工作，從事電子物理學的研究實習。正好著名的熱電子發射專家裡查森（O.W.Richardson）從英國應邀到普林斯頓大學作研究教授。密立根和里查森對戴維森都有很深的影響。戴維森有點口吃。教學效果不好，後來就放棄在大學任教，於1917年轉入西部電氣公司的工程部（現在叫貝爾電話實驗室）從事研究工作，成績卓著。他的研究集中在兩個領域：熱電子發射和二次電子發射。1921年，他和助手康斯曼（C.H.Kunsman ）在用電子束轟擊鎳靶的實驗中偶然發現，鎳靶上發射的“二次電子”竟有少數具有與轟擊鎳靶的一次電子相同的能量，顯然是在金屬反射時發生了彈性碰撞，他們特別注意到“二次電子”的角度分佈有兩個極大值，不是平滑的曲線。他們仿照盧瑟福α散射實驗試圖用原子核對電子的靜電作用力解釋這一曲線。顯然，他們沒有領悟到這是一種衍射現象。

1937年諾貝爾物理學獎授予美國紐約州的貝爾電話實驗室的戴維森(Clinton Joseph Davission,1881-1958)和英國倫敦大學的G.P.湯姆孫(Sir George Paget Thomson，1892-1975)，以表彰他們用晶體對電子衍射所作的實驗發現。

1.通過實驗發現受電子照射的晶體中的干涉現象

2.通過實驗發現晶體對電子的衍射作用

戴維森花了兩年多的時間繼續這項研究，設計和安裝了新的儀器設備，並用不同的金屬材料作靶子。工作雖然沒有多大進展，但卻為以後的工作作了技術準備。1925 年，戴維森和他的助手革末（L.H.Germer，比戴維森小15歲）又開始了電子束的轟擊實驗。一次偶然的事件使他們的工作獲得了戲劇性的進展。有一天，正當革末給管子加熱、去氣，用於吸附殘餘氣體分子的炭阱瓶突然破裂了，空氣衝進了真空系統，致使處於高溫的鎳靶嚴重氧化。過去這種事情也發生過，整個管子只好報廢。這次戴維森決定採取修復的辦法，在真空和氫氣中加熱、給陰極去氣。經過兩個月的折騰，又重新開始了正式試驗。在這中間，奇迹出現了。 1925年5月初，結果還和1921年所得差不多，可是5月中曲線發生特殊變化，出現了好幾處尖銳的峰值。他們立即採取措施，將管子切開，看看裡面發生了什麼變化。經公司一位顯微鏡專家的幫助，發現鎳靶在修復的過程中發生了變化，原來磨得極光的鎳表面，現在看來構成了一排大約十塊明顯的結晶面。他們斷定散射曲線的原因就在於原子重新排列成晶體陣列。

這一結論促使戴維森和革末修改他們的實驗計劃。既然小的晶面排列很亂，無法進行系統的研究，他們就作了一塊大的單晶鎳，並切取一特定方向來做實驗。他們事前並不熟悉這方面的工作，所以前後花了近一年的時間，才準備好新的鎳靶和管子。有趣的是，他們為熟悉晶體結構做了很多X 衍射實驗，拍攝了很多X衍射照片，可就是沒有將X衍射和他們正從事的電子衍射聯繫起來。他們設計了很精巧的實驗裝置，鎳靶可沿入射束的軸線轉360°，電子散射后的收集器也可以取不同角度，顯然他們的目標已從探索原子結構，轉向探索晶體結構。1926年他們繼續做電子散射實驗，然而結果並不理想，並沒有馬上重獲偶然事件之後的那種曲線。

1926年夏，戴維森陪伴他的夫人（里查森之妹）回英國探親，戴維森這時正為自己未獲成功的實驗躊躇，就隨身帶著新近得到的實驗結果，希望他的姻兄能給他一些啟示。

這時正值英國科學促進會在牛津開會。戴維森隨里查森參加了會議。在1926 年8月10日的會議上，他聽到了著名的德國物理學家玻恩（M.Born）講到，戴維森和康斯曼從金屬表面反射的實驗有可能是德布羅意波動理論所預言的電子衍射的證據。會議之後，戴維森與里查森找到玻恩和其他一些著名的物理學家，讓他們看新近得到的單晶曲線，並且進行了熱烈的討論。在回美國的航程中，戴維森把所有時間用來閱讀薛定諤的著作。顯然他從牛津的討論中有所啟示，也許從這裡可以找到解釋。

戴維森回到紐約后，立即和革末一起研究薛定諤的論文，但是計算結果跟實驗所得結果相差甚遠。於是，他們索性放棄原來的實驗，投入到一項進行全面研究的計劃中去。這時，他們已經完全由“不自覺”的狀態轉到“自覺”地尋找電子波的實驗證據中來了。

1926年12月，全面的研究開始了。經過2～3個月的緊張工作，取得了一系列成果，整理后發表於1927年12月“物理評論”上，論文系統地敘述了實驗方法和實驗結果。

戴維森與革末的實驗裝置極其精巧（圖37－1）。整套裝置僅長12 cm、高5 cm，密封在玻璃泡里，經反覆烘烤與去氣，真空度達10-6Pa。散射電子用一雙層的法拉第桶（即所謂電子收集器）收集，送到電流計測量。收集器內外兩層之間用石英絕緣，加有反向電壓，以阻止經過非彈性碰撞的電子進入收集器；收集器可沿軌道轉動，使散射角在20°～90°的範圍內改變。

仔細製備的樣品是從晶體生長的單晶鎳切割下來的，經過研磨、腐蝕，取（111）面正對電子束，這是由於鎳是面心型晶體，（111）面是這類晶體點陣最為密集的方向。晶體安裝在沿入射束方向的軸上，可以隨意改變方位。散射電流取決於四個因素：轟擊電流、方位、散射角和轟擊電壓。已知散射電流與轟擊電流之間有簡單的正比關係，實驗主要考察散射電流跟後面三項的關係。他們做了大量的測試工作。他們綜合幾十組曲線，肯定這是電子束打到鎳晶體發生的衍射現象。於是，他們進一步作定量比較。然而，不同加速電壓下，電子束的最大值所在的散射角，總與德布羅意公式計算的結果相差一些。他們發現，如果用理論值乘0.7，與電子衍射角基本相符。文章發表不久，依卡特（Eckart）指出，這是電子在晶體中的折射率不同所致。

戴維森繼續試驗，發現隨著轟擊電壓增加，偏差越來越小。根據戴維森的數據，貝特（Bethe）推算出金屬表面存在內電勢（鎳約有15 V）。這樣，戴維森就全面證實了電子波的存在。

如果說，戴維森是從偶然的發現中抓住了新的事物，針對解釋不了的實驗結果進行了艱苦的研究，從而發現和證實電子衍射現象的，那麼，G.P.湯姆孫則是從一開始就抓住了這個主題，比較順利地達到了預定目標。

1922 年，30歲的G.P.湯姆孫成為阿伯登（Aberdeen）大學的自然哲學教授。在那裡，他繼續做他父親一直從事的正射線的研究工作，所用實驗裝置主要是真空設備和電子槍。1924年德布羅意第一篇關於物質波的論文在《哲學雜誌》上發表時，他就對之深為欣賞，並於1925年也向《哲學雜誌》投稿，討論德布羅意的理論。1926年8月英國科學促進會對這個問題的討論，使他也想到正射線有可能產生衍射效應。有一天，他到卡文迪什實驗室，看到氦對電子的散射，當時誤以為這就是電子衍射。G.P.湯姆孫回到阿伯登，就安排一位研究生雷德（A.Reid）用賽璐珞薄膜做這個課題。他們做這項工作很容易，因為他們的正射線散射實驗已經做了好幾年，只要將感應圈的極性反接，雷德立即得到了邊緣模糊的暈圈照片。於是，G.P.湯姆孫和雷德的簡訊發表於《自然》雜誌1927 年6月18日刊上，僅次於戴維森兩個月。為了說明觀察到的現象正是電子衍射，而不是由於高速電子碰撞產生的X射線衍射，G.P.湯姆孫用磁場將電子束偏向一方，發現整個圖像平移，保留原來的花樣。由此肯定是帶電粒子的射線，而不是X射線。接著，G.P.湯姆孫和他的同事對高速電子衍射進行了一系列的實驗（實驗裝置原理如圖37－2），靶子材料改用鋁、金、鉑等金屬材料。因為當時他們還沒有掌握真空濺射和鍍膜技術，要製備厚度只有10-6cm的薄膜是非常困難的。G.P.湯姆孫在他的正式論文中宣布：他得到的電子衍射圖形與X射線“粉末法”所得圖形非常相似。這些圖形的大小與德布羅意波動力學理論預計的結果在5%的範圍內相符。

後來，戴維森和G.P.湯姆孫的電子衍射實驗分別發展成為低能電子衍射技術（LEED）和反射式高能電子衍射技術（RHEED），在表面物理學中有廣泛應用。

1929年——1930年冬，湯姆孫作為“非常任”講師訪問了紐約伊薩卡的康奈爾大學。1930年被任命為倫敦大學帝國學院教授，一直任職到1952年，此後擔任劍橋神學院院長，1962年退休。

在帝國學院期間，G.P. 湯姆孫對核物理髮生了興趣。當1939年初宣布重核裂變的發現時，他注意到了這個發現在軍事方面和其他方面應用的可能性，就建議英國空軍部購買一噸氧化鈾來作實驗。戰爭爆發時，這些實驗尚未完成。此時G.P.湯姆孫回到皇家航空研究院從事一系列軍事課題的研究，包括磁性水雷的研究。一年以後，他擔任了為研製原子彈而成立的國家委員會主席。1941年該委員會報告說製造原子彈是可能的，G.P.湯姆孫被授權向美國科學家通報了這一成果。

第二年，G.P. 湯姆孫在渥太華任科學聯絡處的官員，同美國原子彈計劃保持著密切聯繫。他返回英國后，被委任為無線電廣播協會副主席，後來又擔任空軍部的科學顧問。戰後他回到帝國學院工作，1946年初開始對氘產生核動力的可能性發生了興趣。在帝國學院，在維爾（Ware）博士指導下開始了這方面的一些實驗，G.P.湯姆孫的研究是理論性的。後來因保密的需要，這項研究轉交給奧爾德馬斯頓聯合電子工業研究實驗室，G.P.湯姆孫繼續擔任顧問。