戴維森（1881年10月22日-1958年），美國(guó)物理學(xué)家。1937年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

人物簡(jiǎn)介

戴維森，1881年10月22日出生在美國(guó)伊利諾斯州的布魯明頓（Bloomington），早年在布魯明頓公立學(xué)校讀書。1902年中學(xué)畢業(yè)后，由于他的數(shù)學(xué)和物理成績(jī)優(yōu)異而獲得芝加哥大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金，于當(dāng)年9月進(jìn)入芝加哥大學(xué)，在那里受教于密立根，曾一度當(dāng)過密立根的助手，他在大學(xué)學(xué)習(xí)期間因付不起學(xué)費(fèi)，一邊教物理，一邊攻讀，是當(dāng)時(shí)成績(jī)最突出的一位學(xué)生，深受密立根喜愛，后來戴維森到普林斯頓（Princeton）大學(xué)工作，從事電子物理學(xué)的研究實(shí)習(xí)。正好著名的熱電子發(fā)射專家里查森（O.W.Richardson）從英國(guó)應(yīng)邀到普林斯頓大學(xué)作研究教授。密立根和里查森對(duì)戴維森都有很深的影響。戴維森有點(diǎn)口吃。教學(xué)效果不好，后來就放棄在大學(xué)任教，于1917年轉(zhuǎn)入西部電氣公司的工程部（貝爾電話實(shí)驗(yàn)室）從事研究工作，成績(jī)卓著。他的研究集中在兩個(gè)領(lǐng)域：熱電子發(fā)射和二次電子發(fā)射。1921年，他和助手康斯曼（C.H.Kunsman ）在用電子束轟擊鎳靶的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，鎳靶上發(fā)射的“二次電子”竟有少數(shù)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(shí)發(fā)生了彈性碰撞，他們特別注意到“二次電子”的角度分布有兩個(gè)極大值，不是平滑的曲線。他們仿照盧瑟福α散射實(shí)驗(yàn)試圖用原子核對(duì)電子的靜電作用力解釋這一曲線。顯然，他們沒有領(lǐng)悟到這是一種衍射現(xiàn)象。

獲獎(jiǎng)原因

1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)紐約州的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的戴維森(Clinton Joseph Davission,1881-1958)和英國(guó)倫敦大學(xué)的G.P.湯姆孫(Sir George Paget Thomson，1892-1975)，以表彰他們用晶體對(duì)電子衍射所作的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。

1.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受電子照射的晶體中的干涉現(xiàn)象

2.通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用

歷史再現(xiàn)

戴維森花了兩年多的時(shí)間繼續(xù)這項(xiàng)研究，設(shè)計(jì)和安裝了新的儀器設(shè)備，并用不同的金屬材料作靶子。工作雖然沒有多大進(jìn)展，但卻為以后的工作作了技術(shù)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)。一次偶然的事件使他們的工作獲得了戲劇性的進(jìn)展。有一天，正當(dāng)革末給管子加熱、去氣，用于吸附殘余氣體分子的炭阱瓶突然破裂了，空氣沖進(jìn)了真空系統(tǒng)，致使處于高溫的鎳靶嚴(yán)重氧化。過去這種事情也發(fā)生過，整個(gè)管子只好報(bào)廢。這次戴維森決定采取修復(fù)的辦法，在真空和氫氣中加熱、給陰極去氣。經(jīng)過兩個(gè)月的折騰，又重新開始了正式試驗(yàn)。在這中間，奇跡出現(xiàn)了。 1925年5月初，結(jié)果還和1921年所得差不多，可是5月中曲線發(fā)生特殊變化，出現(xiàn)了好幾處尖銳的峰值。他們立即采取措施，將管子切開，看看里面發(fā)生了什么變化。經(jīng)公司一位顯微鏡專家的幫助，發(fā)現(xiàn)鎳靶在修復(fù)的過程中發(fā)生了變化，原來磨得極光的鎳表面，看來構(gòu)成了一排大約十塊明顯的結(jié)晶面。他們斷定散射曲線的原因就在于原子重新排列成晶體陣列。

這一結(jié)論促使戴維森和革末修改他們的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。既然小的晶面排列很亂，無法進(jìn)行系統(tǒng)的研究，他們就作了一塊大的單晶鎳，并切取一特定方向來做實(shí)驗(yàn)。他們事前并不熟悉這方面的工作，所以前后花了近一年的時(shí)間，才準(zhǔn)備好新的鎳靶和管子。有趣的是，他們?yōu)槭煜ぞw結(jié)構(gòu)做了很多X 衍射實(shí)驗(yàn)，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(lián)系起來。他們?cè)O(shè)計(jì)了很精巧的實(shí)驗(yàn)裝置，鎳靶可沿入射束的軸線轉(zhuǎn)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(biāo)已從探索原子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向探索晶體結(jié)構(gòu)。1926年他們繼續(xù)做電子散射實(shí)驗(yàn)，然而結(jié)果并不理想，并沒有馬上重獲偶然事件之后的那種曲線。

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

這時(shí)正值英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)在牛津開會(huì)。戴維森隨里查森參加了會(huì)議。在1926 年8月10日的會(huì)議上，他聽到了著名的德國(guó)物理學(xué)家玻恩（M.Born）講到，戴維森和康斯曼從金屬表面反射的實(shí)驗(yàn)有可能是德布羅意波動(dòng)理論所預(yù)言的電子衍射的證據(jù)。會(huì)議之后，戴維森與里查森找到玻恩和其他一些著名的物理學(xué)家，讓他們看新近得到的單晶曲線，并且進(jìn)行了熱烈的討論。在回美國(guó)的航程中，戴維森把所有時(shí)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，也許從這里可以找到解釋。

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(jì)算結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。于是，他們索性放棄原來的實(shí)驗(yàn)，投入到一項(xiàng)進(jìn)行全面研究的計(jì)劃中去。這時(shí)，他們已經(jīng)完全由“不自覺”的狀態(tài)轉(zhuǎn)到“自覺”地尋找電子波的實(shí)驗(yàn)證據(jù)中來了。

1926年12月，全面的研究開始了。經(jīng)過2～3個(gè)月的緊張工作，取得了一系列成果，整理后發(fā)表于1927年12月“物理評(píng)論”上，論文系統(tǒng)地?cái)⑹隽藢?shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

戴維森與革末的實(shí)驗(yàn)裝置極其精巧。整套裝置僅長(zhǎng)12 cm、高5 cm，密封在玻璃泡里，經(jīng)反復(fù)烘烤與去氣，真空度達(dá)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(jì)測(cè)量。收集器內(nèi)外兩層之間用石英絕緣，加有反向電壓，以阻止經(jīng)過非彈性碰撞的電子進(jìn)入收集器；收集器可沿軌道轉(zhuǎn)動(dòng)，使散射角在20°～90°的范圍內(nèi)改變。

仔細(xì)制備的樣品是從晶體生長(zhǎng)的單晶鎳切割下來的，經(jīng)過研磨、腐蝕，?。?11）面正對(duì)電子束，這是由于鎳是面心型晶體，（111）面是這類晶體點(diǎn)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。散射電流取決于四個(gè)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(jiǎn)單的正比關(guān)系，實(shí)驗(yàn)主要考察散射電流跟后面三項(xiàng)的關(guān)系。他們做了大量的測(cè)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(fā)生的衍射現(xiàn)象。于是，他們進(jìn)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(jì)算的結(jié)果相差一些。他們發(fā)現(xiàn)，如果用理論值乘0.7，與電子衍射角基本相符。文章發(fā)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(xù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著轟擊電壓增加，偏差越來越小。根據(jù)戴維森的數(shù)據(jù)，貝特（Bethe）推算出金屬表面存在內(nèi)電勢(shì)（鎳約有15 V）。這樣，戴維森就全面證實(shí)了電子波的存在。

如果說，戴維森是從偶然的發(fā)現(xiàn)中抓住了新的事物，針對(duì)解釋不了的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了艱苦的研究，從而發(fā)現(xiàn)和證實(shí)電子衍射現(xiàn)象的，那么，G.P.湯姆孫則是從一開始就抓住了這個(gè)主題，比較順利地達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。

1922 年，30歲的G.P.湯姆孫成為阿伯登（Aberdeen）大學(xué)的自然哲學(xué)教授。在那里，他繼續(xù)做他父親一直從事的正射線的研究工作，所用實(shí)驗(yàn)裝置主要是真空設(shè)備和電子槍。1924年德布羅意第一篇關(guān)于物質(zhì)波的論文在《哲學(xué)雜志》上發(fā)表時(shí)，他就對(duì)之深為欣賞，并于1925年也向《哲學(xué)雜志》投稿，討論德布羅意的理論。1926年8月英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)對(duì)這個(gè)問題的討論，使他也想到正射線有可能產(chǎn)生衍射效應(yīng)。有一天，他到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，看到氦對(duì)電子的散射，當(dāng)時(shí)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(gè)課題。他們做這項(xiàng)工作很容易，因?yàn)樗麄兊恼渚€散射實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做了好幾年，只要將感應(yīng)圈的極性反接，雷德立即得到了邊緣模糊的暈圈照片。于是，G.P.湯姆孫和雷德的短訊發(fā)表于《自然》雜志1927 年6月18日刊上，僅次于戴維森兩個(gè)月。為了說明觀察到的現(xiàn)象正是電子衍射，而不是由于高速電子碰撞產(chǎn)生的X射線衍射，G.P.湯姆孫用磁場(chǎng)將電子束偏向一方，發(fā)現(xiàn)整個(gè)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(duì)高速電子衍射進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，靶子材料改用鋁、金、鉑等金屬材料。因?yàn)楫?dāng)時(shí)他們還沒有掌握真空濺射和鍍膜技術(shù)，要制備厚度只有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(dòng)力學(xué)理論預(yù)計(jì)的結(jié)果在5%的范圍內(nèi)相符。

后來，戴維森和G.P.湯姆孫的電子衍射實(shí)驗(yàn)分別發(fā)展成為低能電子衍射技術(shù)（LEED）和反射式高能電子衍射技術(shù)（RHEED），在表面物理學(xué)中有廣泛應(yīng)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(xué)。1930年被任命為倫敦大學(xué)帝國(guó)學(xué)院教授，一直任職到1952年，此后擔(dān)任劍橋神學(xué)院院長(zhǎng)，1962年退休。

在帝國(guó)學(xué)院期間，G.P. 湯姆孫對(duì)核物理發(fā)生了興趣。當(dāng)1939年初宣布重核裂變的發(fā)現(xiàn)時(shí)，他注意到了這個(gè)發(fā)現(xiàn)在軍事方面和其他方面應(yīng)用的可能性，就建議英國(guó)空軍部購買一噸氧化鈾來作實(shí)驗(yàn)。戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)尚未完成。此時(shí)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。一年以后，他擔(dān)任了為研制原子彈而成立的國(guó)家委員會(huì)主席。1941年該委員會(huì)報(bào)告說制造原子彈是可能的，G.P.湯姆孫被授權(quán)向美國(guó)科學(xué)家通報(bào)了這一成果。

第二年，G.P. 湯姆孫在渥太華任科學(xué)聯(lián)絡(luò)處的官員，同美國(guó)原子彈計(jì)劃保持著密切聯(lián)系。他返回英國(guó)后，被委任為無線電廣播協(xié)會(huì)副主席，后來又擔(dān)任空軍部的科學(xué)顧問。戰(zhàn)后他回到帝國(guó)學(xué)院工作，1946年初開始對(duì)氘產(chǎn)生核動(dòng)力的可能性發(fā)生了興趣。在帝國(guó)學(xué)院，在維爾（Ware）博士指導(dǎo)下開始了這方面的一些實(shí)驗(yàn)，G.P.湯姆孫的研究是理論性的。后來因保密的需要，這項(xiàng)研究轉(zhuǎn)交給奧爾德馬斯頓聯(lián)合電子工業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室，G.P.湯姆孫繼續(xù)擔(dān)任顧問。