Клинтон Дэвиссон

Клинтон Дэвиссон — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1937 года (совместно с Джорджем Паджетом Томсоном) за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах, что стало прямым подтверждением корпускулярно-волнового дуализма материи, предсказанного де Бройлем.

Биография

Ранние годы и образование

Клинтон Джозеф Дэвиссон родился 22 октября 1881 года в Блумингтоне, штат Иллинойс, США. Его отец, Джозеф Дэвиссон, был художником-декоратором, мать — Мэри (урождённая Кэлверт). После смерти отца в 1893 году семья испытывала финансовые трудности. Дэвиссон окончил среднюю школу в Блумингтоне, а затем поступил в Чикагский университет, где учился под руководством Альберта Абрахама Майкельсона. В 1902 году, из-за нехватки средств, он прервал обучение и начал работать в телефонной компании в Чикаго. В 1905 году он вернулся в университет, но вскоре перевёлся в Принстонский университет, где в 1908 году получил степень бакалавра по физике, а в 1911 году — докторскую степень (Ph.D.) под руководством Оуэна Уилланса Ричардсона. Темой его диссертации было исследование теплового излучения и распределения энергии в спектре чёрного тела.

Карьера в Bell Telephone Laboratories

С 1911 года Дэвиссон начал работать в исследовательском отделе компании Western Electric (с 1925 года — Bell Telephone Laboratories, ныне Nokia Bell Labs). Первоначально его исследования были связаны с термоэлектронной эмиссией и свойствами поверхностей металлов. В 1917 году, во время Первой мировой войны, он занимался разработкой вакуумных приборов для военных нужд.

Семья

В 1911 году Дэвиссон женился на Шарлотте Сара Ричардсон, сестре своего научного руководителя. У них было четверо детей: трое сыновей и дочь. Один из сыновей, Ричард Дэвиссон, также стал физиком.

Научная деятельность

Открытие дифракции электронов

Основное научное достижение Дэвиссона — экспериментальное обнаружение волновых свойств электронов. В 1925 году, работая в Bell Labs, Дэвиссон и его ассистент Лестер Джермер изучали рассеяние пучка электронов на поверхности кристалла никеля. В ходе эксперимента произошла авария: в вакуумную камеру попал воздух, и на поверхности никеля образовалась оксидная плёнка. Для очистки кристалла Дэвиссон длительное время нагревал его в вакууме. После этого, при повторении измерений, они обнаружили, что угловое распределение рассеянных электронов резко изменилось: вместо плавного распределения появились чёткие максимумы и минимумы интенсивности.

Дэвиссон и Джермер поняли, что в результате нагрева никель перекристаллизовался, образовав крупные монокристаллические области. Это позволило наблюдать дифракционную картину, аналогичную дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решётке. Результаты были опубликованы в 1927 году в статье «The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel» (Рассеяние электронов монокристаллом никеля). Длина волны электронов, рассчитанная по дифракционной картине, совпала с предсказанием гипотезы де Бройля (λ = h/p, где h — постоянная Планка, p — импульс электрона).

Эксперимент Дэвиссона — Джермера

Этот эксперимент стал классическим в квантовой физике. Схема установки включала:

• Электронную пушку, создающую моноэнергетический пучок электронов.
• Мишень из монокристалла никеля с известной кристаллической структурой (граненентированная кубическая решётка).
• Детектор, регистрирующий интенсивность рассеянных электронов под разными углами.

Дэвиссон и Джермер измерили зависимость интенсивности от угла рассеяния для различных энергий электронов. Полученные дифракционные максимумы соответствовали закону Брэгга — Вульфа: nλ = 2d sinθ, где d — межплоскостное расстояние в кристалле, θ — угол скольжения. Это неопровержимо доказывало, что электроны ведут себя как волны.

Другие исследования

Помимо дифракции электронов, Дэвиссон внёс вклад в:

• Физику поверхностей и эмиссионную электронику.
• Изучение вторичной электронной эмиссии.
• Разработку методов электронной микроскопии.

Нобелевская премия

В 1937 году Клинтон Дэвиссон и Джордж Паджет Томсон (сын Дж. Дж. Томсона, открывшего электрон) были удостоены Нобелевской премии по физике «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах». Интересно, что Томсон независимо получил аналогичные результаты, пропуская пучок электронов через тонкие металлические фольги (поликристаллические образцы), что давало кольцевую дифракционную картину.

Признание и награды

• Медаль Эллиота Крессона (1931, Франклиновский институт).
• Медаль Хьюза (1935, Лондонское королевское общество).
• Нобелевская премия по физике (1937).
• Член Национальной академии наук США (1932).
• Член Американской академии искусств и наук (1938).

Научное значение

Эксперимент Дэвиссона — Джермера окончательно подтвердил гипотезу де Бройля о волновой природе частиц, что стало одним из краеугольных камней квантовой механики. Он также продемонстрировал применимость принципов дифракции не только к фотонам, но и к массивным частицам. Это открытие легло в основу электронной микроскопии, электронной дифракции (метода анализа структуры кристаллов) и других экспериментальных методов физики твёрдого тела.

Последние годы жизни

Дэвиссон ушёл из Bell Labs в 1946 году, но продолжал научную работу в качестве приглашённого профессора в Университете Виргинии. Он скончался 1 февраля 1958 года в Шарлотсвилле, штат Виргиния, в возрасте 76 лет.

Источники

• Nobel Lectures, Physics 1922—1941, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1965.
• C. J. Davisson and L. H. Germer, «The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel», Nature, 119, 558—560 (1927).
• C. J. Davisson and L. H. Germer, «Diffraction of Electrons by a Crystal of Nickel», Physical Review, 30, 705—740 (1927).
• Биографический очерк на сайте Нобелевского комитета.
• Энциклопедия «Британника» (Encyclopædia Britannica), статья «Clinton Davisson».