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證實德布羅意的物質波湯姆森誕辰│科學史上的今天:5/3

在物理學上提到湯姆森,第一個想到的肯定是英國物理學家J.J.湯姆森,他因為在 1897 年發現電子而獲頒 1906 年的諾貝爾物理獎。身為他的獨子,又投身與父親同樣的研究領域,G.P.湯姆森(George P. Thomson, 1892-1975)想必承受極大心理壓力,亟欲走出自己的道路。

1924 年底,德布羅意發表物質波的論文,主張所有粒子都具有波的性質。這個驚世駭俗的理論引起科學家們的議論紛紛,雖然有愛因斯坦的支持,薛丁格也於1926 年提出有模有樣的波動方程式,但公式再怎麼漂亮,未經實驗證實之前,這些都只能算是假說。G.P.湯姆森心中倒是有個實驗的構想已逐漸成形。

打從他從老爸那兒習得陰極射線管的實驗後,至今也已有好幾年的實作經驗,操控電子束已駕輕就熟。如果電子具有波的性質,那麼用電子束打向金屬材料,折射後的電子束應該會像光那樣產生繞射圖案吧?1927 年,G.P.湯姆森進行一系列的實驗,他用高能電子束打向鋁箔、金箔等靶材,穿透而過的電子束果然在後方的屏幕上形成猶如水波的圓形繞射圖案。德布羅意的物質波假說獲得證實。

德布羅意隨即於 1929 年獲頒諾貝爾物理獎;G.P.湯姆森也在1937年與美國物理學家戴維森(Clinton Davisson)兩人共同獲得諾貝爾物理獎。G.P.湯姆森終於擺脫父親的盛名,擁有自己的光環;而且原本老爸證明電子是粒子,如今兒子卻證明電子也是波,更別具意義。

等等,那這位共同獲獎的戴維森又是誰?事實上,他比 G.P.湯姆森還早發現電子的繞射現象,只不過 G.P.湯姆森是有意栽花,戴維森的發現卻是無心插柳。

1925 年,他與助手革末(L. H. Germer)在作電子束的撞擊實驗時,一個裝置破裂而讓空氣跑進真空設備中,以致高溫的鎳靶嚴重氧化。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,電子散射的分佈竟在幾處出現峰值。他們檢查鎳靶,發現部分表面形成排列整齊的結晶,但他們尚未聽聞德布羅意的理論,因此並未作聯想到繞射,但還是發表了這個奇特的實驗結果。

第二年,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,而且獲得許多人的鼓勵──他們猜測他 1925 年所作實驗的奇特結果或許就是電子繞射的證據,於是他返美後趕緊改變實驗方向。他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,記錄其反射結果,最後果然發現某個角度產生了明顯的繞射現象,而比 G.P.湯姆森早兩個月發表實驗結果。

後來,戴維森和 G.P.湯姆森兩人的實驗方法分別發展成為低能電子繞射技術(LEED)和反射式高能電子繞射技術(RHEED),在表面物理學中都有廣泛應用。因此論文發表雖有先後,但實為互補,兩人分享諾貝爾獎可謂實至名歸。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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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。