下载文档原格式
电子衍射现象的发现发现的背景20世纪20年代中期是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，和海森伯从不同途径创立的矩阵力学，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。
人物介绍图10.1 戴维森图10.2 G.P.汤姆生戴维森Clinton Joseph Davisson G.P.汤姆生Sir George Paget Thomson1881-1958 1892-1975美国贝尔电话实验室实验物理学家英国阿伯登大学实验物理学家电子衍射的发现者电子衍射的发现者1937年诺贝尔物理学奖 1937年诺贝尔物理学奖-因用晶体对电子衍射所作出的实验发-因用晶体对电子衍射所作出的实验发现戴维森1881年10月22日出生在美国伊利诺斯州的布鲁明顿（Bloomington），早年在布鲁明顿公立学校读书。
l902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，后来戴维森到普林斯顿（Princeton）大学工作，从事电子物理学的研究实习。
1917年转入西部电气公司的工程部（后来叫贝尔电话实验室）从事研究工作，成绩卓著。
1921年，他和助手康斯曼（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”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。
戴维森抓住这一现象，持续研究了五六年。
1927年找到了量子力学作为自己实验的指南，从而解释并完善了反常的电子散射曲线，证实这正是理论家梦寐以求的电子衍射现象。
他的富有戏剧性的经历可以给后人提供非常有益的启示。
1958年2月1日戴维森逝世于美国夏洛茨维尔，享年77岁。
电子单缝衍射实验报告1. 引言电子单缝衍射实验是研究电子波与物体相互作用的重要实验之一。
通过观察电子在通过单缝孔时发生的衍射现象，可以深入了解电子的波粒二象性，并为量子力学的研究奠定基础。
本实验旨在通过实验观测和数据分析，验证电子在通过单缝时产生的衍射现象，并进一步探讨其规律。
2. 实验设备和原理2.1 实验设备本次实验使用的主要设备包括：- 电子束发生器- 单缝装置- 探测屏幕- 光电倍增管2.2 实验原理电子束通过单缝装置，会产生衍射现象。
根据赫尔兹斯普龙定律，如果入射波的波长与缝宽的比值趋近于零，则衍射角趋近于零，衍射板上的衍射条纹离中央峰越近，幅度越大；当波长与缝宽的比值趋近于无穷大时，衍射角趋近于180度，衍射条纹下降到零。
对于球面波，其衍射强度随着距离的增加以1/r衰减。
3. 实验步骤与结果3.1 实验步骤1. 通过电子束发生器调节电压，使得电子束射出速度适当；2. 将单缝装置放置在电子束发生器和探测屏幕之间，并将缝宽调整到合适的大小；3. 将探测屏幕与单缝装置之间的距离固定，并调整探测屏幕的位置，使其垂直于电子束；4. 打开电子束发生器，观察探测屏幕上的衍射图案；5. 将观测到的衍射图案通过光电倍增管转换成电信号，并记录数据。
3.2 实验结果实验过程中，我们观测到了明显的衍射图案，图案的宽度与缝宽有关。
通过调整电子束的速度和缝宽，我们记录了不同条件下的衍射图案，并进行了数据分析。
经过分析，我们发现当电子束速度较高、波长较短时，衍射条纹较为集中，不同条纹之间的间距较小；而当电子束速度较慢、波长较长时，衍射条纹变得稀疏，不同条纹之间的间距较大。
这与我们对衍射现象的理论预期是一致的。
4. 结论与讨论通过电子单缝衍射实验，我们验证了电子在通过单缝时产生的衍射现象。
实验结果表明，电子波在通过单缝时，会发生衍射，形成明显的衍射图案。
当电子波的波长较短、速度较高时，衍射条纹较为密集；当波长较长、速度较慢时，衍射条纹较为稀疏。
电子的衍射原理电子的衍射原理是指当电子束通过一个尺寸与其波长接近的孔或经过晶体时，会发生衍射现象。
这个现象与光波的衍射原理非常相似，但是由于电子的特殊性质，使得电子的衍射具有一些独特的特点。
首先，我们知道根据德布罗意波动方程，物质粒子也具有波动性质。
对于电子来说，它的波长可以由德布罗意公式λ = h/p计算得出，其中h是普朗克常数，p为电子的动量。
电子的衍射主要是通过电子与晶体或孔的相互作用来产生的。
当电子束遇到晶格的时候，晶格的周期性结构会对电子束产生散射，这种散射就是电子的衍射。
晶格常数决定了衍射的微细结构，而晶体的平面则决定了衍射的方向性。
衍射的过程可以通过惠更斯-菲涅尔原理来描述。
根据该原理，每个点上的波前都可以看作是一系列波源发出的次级波的叠加，这些次级波形成了新的波前。
在电子的衍射过程中，散射的电子波可以视为次级波，而晶体或孔则形成了作为波前的电子波传播的界面。
电子的衍射表现出了一些有趣的现象。
首先是衍射图样的特点，类似于光的衍射，电子的衍射图样也会出现干涉条纹。
这些条纹的形状和分布可以提供关于晶体结构的有用信息，因此电子衍射技术在材料科学中有着重要的应用。
另一个有趣的现象是衍射的相对强度。
电子的散射过程中，不同方向的电子波会相互干涉，形成强度不均匀的衍射图样。
这些强度的变化可以通过使用衍射模型和计算方法来解释。
电子衍射原理在很多领域都有重要的应用，特别是在材料科学、凝聚态物理和电子显微镜技术中。
使用电子衍射技术，科学家们可以研究材料的晶体结构、晶格常数、晶格缺陷等重要的性质。
此外，电子衍射还可用于表征纳米材料、薄膜以及生物分子的结构，为相关研究提供了强有力的工具。
总之，电子的衍射原理是基于电子的波动性而实现的一种衍射现象。
通过电子与晶体或孔的相互作用，电子束会发生散射，形成干涉和衍射的图样。
电子衍射原理的理解和应用对于探索材料的微观结构、研究纳米领域以及发展电子显微镜技术都具有重要的意义。
电子的波粒二象性与电子衍射电子是一种微观粒子，具有波粒二象性，这是现代物理学的重要发现之一。
在本文中，我们将讨论电子的波粒二象性以及电子衍射现象。
1. 波粒二象性的引入波粒二象性是指微观粒子既可以表现出粒子性质，又可以表现出波动性质。
这一概念最早由德布罗意提出，他认为不仅光具有波粒二象性，微观粒子如电子也同样具有这种性质。
根据德布罗意的理论，电子具有动量p的波长为λ的德布罗意波。
2. 电子的波动性质根据德布罗意波的理论，电子具有波动性质。
这意味着电子在运动中会表现出干涉和衍射现象。
例如，当电子束通过狭缝时，会出现干涉条纹，这与光的干涉现象类似。
此外，电子也会在晶体表面发生衍射，进一步证明了电子的波动性质。
3. 电子的粒子性质除了波动性质外，电子也表现出粒子性质。
这意味着电子具有位置和动量，并且在进行测量时会呈现出离散的结果。
这与波动性质不同，波动性质在测量时会呈现连续的结果。
4. 电子的衍射现象电子的衍射是指电子波通过物体的缝隙或晶体的晶格结构后产生的衍射现象。
这一现象是电子波的特性，与光的衍射非常相似。
当电子波通过一个缝隙时，会呈现出干涉和衍射的效应，形成特定的衍射图样。
5. 描述电子衍射的数学模型为了描述电子的衍射现象，我们可以使用薛定谔方程来建模。
薛定谔方程是描述量子体系的波函数演化的方程。
通过求解薛定谔方程，可以得到电子在衍射实验中的干涉和衍射图样。
6. 应用电子衍射广泛应用于物理学和材料科学领域。
例如，在材料科学中，通过电子衍射可以研究材料的晶格结构和缺陷。
在物理学研究中，电子衍射被用于研究微观粒子的特性和行为，如原子、分子和纳米粒子等。
总结：电子的波粒二象性与电子衍射是现代物理学的重要概念。
电子既具有波动性质，表现出干涉和衍射，又具有粒子性质，具有位置和动量。
电子的衍射现象可以通过薛定谔方程进行数学建模，并在物理学和材料科学领域得到广泛应用。
这一发现对于我们理解微观世界的本质和开展相关研究具有重要意义。
电子衍射电子衍射实验对确立电子的波粒二象性和建立量子力学起过重要作用。
历史上在认识电子的波粒二象性之前，已经确立了光的波粒二象性．德布罗意在光的波粒二象性和一些实验现象的启示下，于1924年提出实物粒子如电子、质子等也具有波性的假设。
当时人们已经掌握了Ｘ射线的晶体衍射知识，这为从实验上证实德布罗意假设提供了有利因素．1927年戴维孙和革末发表他们用低速电子轰击镍单晶产生电子衍射的实验结果。
两个月后，英国的汤姆逊和雷德发表了用高速电子穿透物质薄片的办法直接获得电子花纹的结果。
他们从实验测得电子波的波长与德布罗意波公式计算出的波长相吻合，证明了电子具有波动性，验证了德布罗意假设，成为第一批证实德布罗意假说的实验，所以这是近代物理学发展史上一个重要实验。
利用电子衍射可以研究测定各种物质的结构类型及基本参数．本实验用电子束照射金属银的薄膜，观察研究发生的电子衍射现象。
一 实验目的1 拍摄电子衍射图样，计算电子波波长。
2 验证德布罗意公式。
二 实验原理电子衍射是以电子束直接打在晶体上面而形成的。
在本仪器中我们在示波器的电子枪和荧光屏之间固定一块直径约为2.5cm 的圆形金属膜靶，电子束聚焦在靶面上，并成为定向电子束流。
电子束由13KV 以下的电压加速，通过偏转板时，被引向靶面上任意部位。
玻壳上有足够大的透明部分，可以观察内部结构，电子束采用静电聚焦及偏转。
若一电子束以速度ν通过极薄的晶体膜，这些电子束的德布罗意波的波长为：p h='λ （1）式中普朗克常数，p 为动量。
设电子初速度为零，在电位差为U 的电场中作加速运动。
在电位差不太大时，即非相对论情况下，电子速度c <<ν（光在真空中的速度），故02201/m c m m ≈-=ν，其中0m 为电子的静止质量。
它所达到的速度ν可由电场力所作的功来决定：m p m eU 22122==ν （2）将式（2）代入（1）中，得：U em h 12='λ （3） 式中e 为电子的电荷，m 为电子质量，h 为普朗克常量，然后将0m 、h 、e 代入（3）得U 225.1='λ （4）其中加速电压U 的单位为V ，λ的单位为1010-米。
电子衍射现象的发现发现的背景20 世纪 20年代中期是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， 和海森伯从不同途径创立的矩阵力学， 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。
人物介绍图 10.2 G.P.汤姆生G.P. 汤姆生1892-1975 英国阿伯登大学实验物理学家电子衍射的发现者1937 年诺贝尔物理学奖- 因用晶体对电子衍射所作出的实验发现戴维森1881年 10 月 22日出生在美国伊利诺斯州的布鲁明顿( Bloomington )，早年在 布鲁明顿公立学校读书。
l902 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， 后来戴维森到普林斯顿( Princeton )大学工作，从事电子物理学的研究实习。
1917 年转入西部电气公司的工程部(后来叫贝尔电话实验室)从事研究工作， 成绩卓著。
1921 年，他和助手康斯曼( 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” 戴维森Clinton Joseph Davisson Sir George Paget Thomson1881-1958 美国贝尔电话实验室实验物理学家 电子衍射的发现者 1937年诺贝尔物理学奖 -因用晶体对电子衍射所作出的实验发 图 10.1 戴维的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。
戴维森抓住这一现象，持续研究了五六年。
1927 年找到了量子力学作为自己实验的指南，从而解释并完善了反常的电子散射曲线，证实这正是理论家梦寐以求的电子衍射现象。
他的富有戏剧性的经历可以给后人提供非常有益的启示。
1958年2月1日戴维森逝世于美国夏洛茨维尔，享年77岁。
戴维森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。
由于他高超的实验技术和严谨的科学态度，没有放过出乎意料的反常现象，经过反复实验和研究，终于在量子力学理论的指导下率先找到了电子衍射的实验证据。
G.P.汤姆生是J.J. 汤姆生的独生子，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，在父亲的指导下刚作了一年科学研究，就爆发了1914-1918 年的世界战争。
他加入了女王步兵团，是一名中尉军官，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，在整个大战期间，他在不同的机构里都是研究这方面的问题。
这期间他曾随英国军事使团在美国呆了八个月。
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》。
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。
1952年任伦敦大学荣誉退休教授。
1975年9月10日在剑桥逝世，享年83岁。
戴维逊的低速电子散射实验1921 年, 戴维森和助手康斯曼( C.H.Kunsman)在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发现了电子衍射的迹象。
这一迹象就是镍靶上发射的“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”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。
他们仿照卢瑟福a 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 )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8月10日,英国科学促进会在牛津开会。
戴维森在会议上听到著名德国物理学家玻恩（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。
回到纽约后，戴维森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“不自觉”的状态转到“自觉”地寻找电子波的实验证据中来了。
图10.3 戴维森的电子衍射实验装置原理图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10.3 和图10.4 ）。
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毫米汞柱。
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。
图10.6 戴维森（左）手持电子衍射管，图10.5 戴维森所用的电子衍射管右为他的助手革末他们做了大量的测试工作，最后综合了几十组曲线，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。
至此，电子衍射的现象终于被人们确认。
G.P.汤姆生的高速电子散射实验G.P. 汤姆生在阿伯登大学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。
他们做这样的实验比较容易，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，发现整个图象平移，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，进一步得到了电子衍射的衍射花样。
从而比戴维森更为直接地对电子衍射作出了验证。
G.P.汤姆生的电子衍射实验原理如图10.8 。
它的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当於10-40keV，电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必象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，和X 射线德拜粉末法所得衍射图形类似。
图10.10 G.P. 汤姆生早期的电子衍射图像(样品为金箔)发现的突破点在发现电子衍射现象之前的几次尝试:(1)在路易斯·德布罗意提出物质波的论文之后不久，他曾向一位在其长兄莫理斯·德布罗意( Maurice de Broglie )实验室里工作的物理学家道威利尔 ( Dauvillier )建议是不是做一个实验来实现电子的衍射或干涉现象。
这个实验做了，但没有取得成功。
据说，当时这个实验室的同行们包括道威利尔在内，对物质波假说都半信半疑，认为不可能实现，所以道威利尔也没有下太大功夫。
据他后来分析，这个实验的阴极射线太软，即电子的速度太低，致使作为靶子的云母晶体在高真空中吸收了空中游离的电荷。
（2）最早对戴维森的反常曲线作出正确解释的是德国哥廷根大学玻恩物理研究所的一名年青研究生爱尔萨塞（W．Eiasser ）。
1923 年戴维森公布的电子束散射曲线被玻恩发现后，他曾让自己另一名研究生洪德（F．Hund）试图也按卢瑟福原子结构理论去解释戴维森的结果。
当洪德向大家汇报时，爱尔萨塞听到了，留下了深刻的印象。
不久他有机会读到德布罗意关于物质波的论文，思想活跃的爱尔萨塞很快就把德布罗意的波动假说跟戴维森的反常曲线联系起来。
心想：“会不会戴维森和康斯曼的最大最小就是衍射现象？它和X 射线穿过晶体产生的现象多么相似。
”于是，爱尔萨塞立即作出估算，发现数量级相符。
几个星期后，他写了一篇通信给《自然科学》杂志，在文中申明，要取得定量验证，有待于他自己正在准备的进一步实验。
