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證實物質波的凸槌實驗

【科學史上的今天】8/4——證實物質波的凸槌實驗

Clinton Davisson

戴維森。圖片來源:Pantagraph

1927 年 8 月 4 日,貝爾實驗室的戴維森(Clinton Davisson)與助手革末(L. H. Germer)發現真空裝置的玻璃又破裂時,兩人先是一愣,接著互看一眼,露出會心一笑。一切的起點就是兩年半前的真空裝置玻璃破裂,如今以同樣的方式結束實驗,似乎也是天意。他們決定就此打住,整理數據,撰寫論文。

他們原本的實驗是要用電子束轟炸鎳,然後從電子的散射角度研判鎳的原子結構。1925 年 2 月 5 日這一天,他們才要開始實驗,不料玻璃竟因不耐高熱而破裂,空氣跑進真空設備中,導致高溫鎳靶嚴重氧化。戴維森不想就這樣丟棄鎳靶,決定透過加熱還原反應予以修復。沒想到重作實驗後,電子散射的分佈曲線竟變複雜了。他們檢查鎳靶,發現應該是鎳的部分表面形成排列整齊的晶體所致。

戴維森完全沒有聯想到電子繞射,因為繞射是波才有的特性,德布羅意才剛於 1924 年底提出物質波的假說,薛丁格也還沒提出波動方程式,除了少數幾位量子力學的先驅,根本沒有人認為電子具有波的性質。

1926 年,戴維森到英國參加一個研討會,才得知德布羅意與薛丁格的理論。他向玻恩等人提到自己的實驗,玻恩他們猜測,或許這就是電子繞射的結果,鼓勵他往這方向研究。返回美國後,戴維森與革末製備了單晶體的鎳,用低速電子束從各種不同角度打向鎳晶體,記錄反射結果,最後果然發現某個角度產生了明顯的繞射現象。

1927 年 4 月,他們在《自然》期刊發表實驗結果,比獨立發現電子繞射的 G. P. 湯姆森早了兩個月。但戴維森認為實驗數據與德布羅意的理論仍有些差距,因此又從 4 月開始重做實驗,直到 8 月 4 日這一天,因為真空裝置玻璃再度破裂才結束實驗。這一次的實驗數據與德布洛伊的「物質波」公式完全吻合,證實了物質就是波,也為剛萌芽的量子力學注入強心針。

德布羅意隨即於1929年獲頒諾貝爾物理獎,四年後,薛丁格也獲獎;而戴維森也與 G. P. 湯姆森共同獲得 1937 年的諾貝爾物理獎。

一個搞砸的實驗,最後竟然換到一座諾貝爾獎,所謂「塞翁失馬,焉知非福」大概就是這麼回事吧!

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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。