1937 年诺贝尔物理学奖——电子衍射
1937 年诺贝尔物理学奖授予美国纽约州纽约贝尔电话实验室的戴维森（Clinton Joseph Davisson，1881—1958）和英国伦敦大学的 G.P.汤姆生（Sir George Paget Thomson，1892—1975），以表彰他们用晶体对电子衍射所作出的实验发现。
20 世纪 20 年代中期是现代物理学发展的关键时期。波动力学已经由薛定谔在德布罗意的物质波假说的基础上建立了起来，海森伯从不同途径创立的矩阵力学，与波动力学共同形成微观体系的基本理论。这一巨大变革的实验基础自然成了人们关切的课题，这就激励了许多物理学家致力于证实粒子的波动性。然而，直到 1927 年，才由美国的戴维森和英国的 G.P.汤姆生分别作出电子衍射实验。虽然这时量子力学已得到了广泛运用，但电子衍射实验的成功仍不失为量子力学理论提供了关键性实验验证，引起了世人的广泛注意。
戴维森发现低能电子衍射
1921 年，戴维森和他的助手康斯曼（C.H.Kunsman）在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发现，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”的角度分布不是平滑的曲线，有两个极大值。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，戴维森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，戴维森和他的助手革末（L.H.Germer，比戴维森小 15 岁）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。这次戴维森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，又重新开始了正式试验。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，现在看起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。
这一结论促使戴维森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 衍射实验，拍摄了很多 X 衍射照片，可就是没有将 X 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 年他们继续做电子散射实验，然而结果并不理想，并没有马上重获偶然事件之后的那种曲线。
1926 年夏，戴维森陪伴他的夫人（里查森之妹）回英国探亲，戴维森这时正为自己未获成功的实验踟蹰，就随身带着新近得到的实验结果，希望他的姻兄能给他一些启示。
这时正值英国科学促进会在牛津开会。戴维森随里查森参加了会议。在 1926 年 8 月 10 日的会议上，他听到了著名的德国物理学家玻恩（M.Born）讲到，戴维森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，戴维森与里查森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，戴维森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。
戴维森回到纽约后，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，他们已经完全由“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。
戴维森与革末的实验装置极其精巧（如图 37 – 1 和图 37 – 2 所示）。整套装置仅长 5英寸（12 cm）、高 2 英寸（5 cm），密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达 10−8 mm 汞柱（10−6 Pa）。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。
仔细制备的样品是从晶体生长的单晶镍切割下来的，经过研磨、腐蚀，取（111）面正对电子束，这是由于镍是面心型晶体，（111）面是这类晶体点阵最为密集的方向。晶体安装在沿入射束方向的轴上，可以随意改变方位。散射电流取决于 4 个因素：轰击电流、方位、散射角和轰击电压。已知散射电流与轰击电流之间有简单的正比关系，实验主要考察散射电流跟后面三项的关系。他们做了大量的测试工作。他们综合几十组曲线，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。
戴维森继续试验，发现随着轰击电压增加，偏差越来越小。根据戴维森的数据，贝特（Bethe）推算出金属表面存在内电势（镍约有 15 V）。这样，戴维森就全面证实了电子波的存在。
G.P.汤姆生发现高能电子衍射
如果说，戴维森是从偶然的发现中抓住了新的事物，针对解释不了的实验结果进行了艰苦的研究，从而发现和证实电子衍射现象的，那么，G.P.汤姆生则是从一开始就抓住了这个主题，比较顺利地达到了预定目标。
G.P.汤姆生是电子的发现者 J.J.汤姆生的独生子，1922 年，30 岁的 G.P.汤姆生成为阿伯登（Aberdeen）大学的自然哲学教授。在那里，他继续做他父亲一直从事的正射线的研究工作，所用实验装置主要是真空设备和电子枪。1924 年德布罗意第一篇关于物质波的论文在《哲学杂志》上发表时，他就对之深为欣赏，并于 1925 年也向《哲学杂志》投稿，讨论德布罗意的理论。1926 年 8 月英国科学促进会对这个问题的讨论，使他也想到正射线也可能产生衍射效应。有一天，他到卡文迪什实验室，看到氦对电子的散射，当时误以为这就是电子衍射。G.P.汤姆生回到阿伯登，就安排一位研究生雷德（A.Reid）用赛璐珞薄膜来做这个课题。他们做这项工作很容易，因为他们的正射线散射实验已经做了好几年，只要将感应圈的极性反接，雷德立即得到了边缘模糊的晕圈照片。于是，G.P.汤姆生和雷德的短讯发表于《自然》杂志 1927 年 6 月 18 日刊上，仅次于戴维森两个月。为了说明观察到的现象正是电子衍射，而不是由于高速电子碰撞产生的 X 射线衍射，G.P.汤姆生用磁场将电子束偏向一方，发现整个图像平移，保留原来的花样。由此肯定是带电粒子的射线，而不是 X 射线。接着，G.P.汤姆生和他的同事对高速电子衍射进行了一系列的实验，靶子材料改用铝、金、铂等金属材料。因为当时他们还没有掌握真空溅射和镀膜技术，要制备厚度只有 10−6 cm 的薄膜是非常困难的。G.P.汤姆生在他的正式论文中宣布：他得到的电子衍射图形与 X 射线“粉末法”所得图形非常相似。这些图形的大小与德布罗意波动力学理论预计的结果在 5% 的范围内相符。
G.P.汤姆生的电子衍射实验原理如图 37 – 4 和图 37 – 5 所示。这一实验的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当于 10 ~ 40 keV，电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必像戴维森的低能电子衍射实验那样，要靠反射的方法逐点进行观测，而且衍射物质也不必用单晶材料，可以用多晶体代替。因为多晶体是由大量随机取向的微小晶体组成，沿各种方向的平面都有可能满足布拉格条件，所以可以从各个方向同时观察到衍射，衍射花纹必将组成一个个同心圆环，如图 37 – 6 所示，和 X 射线德拜粉末法所得衍射图形类似。
后来，戴维森和 G.P.汤姆生的电子衍射实验分别发展成为低能电子衍射技术（LEED）和反射式高能电子衍射技术（RHEED），在表面物理学中有广泛应用。
获奖者简介
戴维森 1881 年 10 月 22 日出生于美国伊利诺伊州的布鲁明顿（Bloomington），早年在布鲁明顿公立学校读书。1902 年中学毕业后，由于他的数学和物理成绩优异而获得芝加哥大学的奖学金，于当年 9 月进入芝加哥大学，在那里受教于密立根，曾一度当过密立根的助手，他在大学学习期间因付不起学费，一边教物理，一边攻读，是当时成绩最突出的一位学生，深受密立根喜爱，后来戴维森到普林斯顿（Princeton）大学工作，从事电子物理学研究。正好著名的热电子发射专家里查森（O.W.Richardson）从英国应邀到普林斯顿大学作研究教授。密立根和里查森对戴维森都有很深的影响。戴维森有点儿口吃，教学效果不好，后来就放弃在大学任教，于 1917 年转入西部电气公司的工程部（后来更名为贝尔电话实验室）从事研究工作，成绩卓著。他的研究集中在两个领域，一是热电子发射；一是二次电子发射。就在研究二次电子发射的过程中偶然发现了一种反常的电子角度分布现象，从未有人见到过。由于他高超的实验技术和严谨的科学态度，没有放过这一反常现象，经过反复实验和研究，终于率先找到了电子衍射的实验证据。这一成果对物理学的发展有着重大意义。1930—1937 年，戴维森致力于电子光学研究。1946 年离开贝尔电话实验室，任弗吉尼亚大学教授，1958 年 2 月 1 日逝世。
G.P.汤姆生 1892 年 5 月 3 日出生于剑桥，在剑桥读中学，后入剑桥大学。作为三一学院的学生，他先学数学，后学物理，在父亲 J.J.汤姆生的指导下作科学研究，但刚刚一年就爆发了 1914—1918 年的第一次世界大战。战争期间他加入女王步兵团，当了一名中尉军官，在法国服役了一段很短的时间。后来到法恩巴劳（Farnborough）从事飞机稳定性和空气动力学问题的研究。战后，他在剑桥神学院作了三年研究员和讲师，然后继续研究物理学。1919 年，27 岁的 G.P.汤姆生出版了专著《应用空气动力学》。1928 年跟他父亲合写过名著《气体放电》。1929—1930 年冬，汤姆生作为“非常任”讲师访问了纽约州伊萨卡的康奈尔大学。1930 年被任命为伦敦大学帝国学院教授，当 1939 年初宣布重核裂变的发现时，他注意到了这个发现在军事和其他方面应用的可能性，曾建议英国空军部购买一吨氧化铀来作实验。后来他担任为研制原子弹而成立的国家委员会主席。1941 年该委员会报告说制造原子弹是可能的，G.P.汤姆生被授权向美国科学家通报了这一成果。第二年，G.P.汤姆生在渥太华任科学联络处的官员，同美国原子弹计划保持着密切联系。他返回英国后，被委任为无线电广播协会副主席，后来又担任空军部的科学顾问。战后他回到帝国学院工作，直到 1952 年，此后担任剑桥神学院院长，1962 年退休，1975 年 9 月 10 日在剑桥逝世。
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