物质波理论的实验验证(2)

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射线衍射实验，拍摄了很多X射线衍射照片，可就是没有将X射线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年继续做电子散射实验，然而结果并不理想，总得不到偶然事件之后的那种曲线。这时正值英国科学促进会在牛津开会。戴维森参加了会议。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讲到，“截维森和康斯曼……从金属表面反射的实验”是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的“证据”。戴维森没有想到自己三年前的实验竟有这样重要的意义。
     会议之后，戴维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散射曲线，跟他们进行了热烈的讨论。玻恩建议戴维森仔细研究薛定谔有关波动力学的论文。这次讨论对戴维森的工作有决定性的影响。回到纽约后，他重新制定了研究方案。有了明确的探索目标，工作进展相当迅速。
     这时，戴维森已经自觉接受波动理论的指导，有效地发挥自己的技术专长。戴维森和革末的实验装置极其精巧，整套装置仅长5英寸，高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达10^-8托，即10^-6帕。散射电子用一双层的法拉第筒（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，仔细备制的样品是从晶体生产的单晶镍切割下来，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。散射电流取决于四个因素：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，他们进一步做定量比较。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。他们的论文发表在《自然》杂志1927年4月16日的一期上①。这篇论文立即引起了人们的注意。不久依卡尔特(Eckart)指出②。理论和实验之间的偏差可能是由于电子在晶体中受到折射。戴维森继续实验，发现随着轰击电压增加，偏差越来越小。戴维森和革末在1928年4月发表的曲线，表明电子束反射后的强度随波长改变的关系。箭头所指代表各级衍射的理论值。由图可见，随着波长变短，也即加速电压增大，偏差越来越小。根据戴维森的数据，贝特( W.Bethe)推算出金属表面存在内电势，对于镍，内电势约为15伏。如果考虑这一因素，理论值和实验值就吻合一致了。
     至此，戴维森完全证实了电子衍射的存在，为德布罗意的物质波假说提供了重要证据。如果说戴维森发现电子衍射走的是一条曲折的道路，那末，G.P.汤姆生就是走了一条直路。他是电子的发现者J. J. 汤姆生的独生子，从小接受到良好的科学教育，在父亲的指导下做气体放电等方面的研究工作。1922年，30岁的G. P. 汤姆生当了阿伯登(Aberdeen)大学教授，继续做他父亲一直从事的正射线的研究，实验设备主要是电子枪和真空系统。