1937年諾貝爾物理獎的關鍵影響
1937年的諾貝爾物理獎頒給了湯姆森(George Paget Thomson)和戴維森(Clinton Davisson)
〝表彰他們在電子被晶體繞射的實驗發現〞
原文作者：Luisa Bonolis
蔡蘊明 節譯 2019/03/01 於台大化學系
譯者前言：
本文出自於林島諾貝爾桂冠得主會議(The Lindau Nobel Laureate Meetings)所建立的網站，此國際會議自1951年開始於德國林島舉辦，每次邀請超過三十位以上的諾貝爾桂冠得主，並有大學生、研究所學生及博士後研究人員參與，一同進行對話以促進科學的發展。此網站提供許多諾貝爾獎得主的資訊，而此篇文章乃是介紹 George Paget Thomson (湯姆森)的生平及其重要研究的長文，本譯文對其生平的部分只選擇性的翻譯了幾段文字，主要的重點放在其獲得諾貝爾獎的工作上。湯姆森於1937年與Clinton Davisson(戴維森)共同獲得諾貝爾物理獎，二組人馬透過不同的實驗證實了德布羅意物質波的存在，在整個量子力學的發展和信度上扮演了關鍵的角色。此文雖然在介紹湯姆森，但是對那1920年代與量子力學的發展相關之背景有清楚的說明，對湯姆森與戴維森之間有趣的競合關係亦有生動的描述，已成為我講課的資料。每年教到量子化學中那個進展精彩的年代時，常重讀此文，每每感覺身歷其境，即便已入耳順之年，仍會感覺老血沸騰。我向來認為，學習一些生硬的科學理論時，若能配合相關的應用、歷史和人文素材，可以軟化那些重要的知識。上課有時間限制，總是無法盡其所言，今年索性譯成中文讓有興趣者方便閱讀。經過九十多年的發展，當年的電子繞射實驗已經大幅的演進，如今基於這個概念發展出的的電子顯微鏡威力無窮。2017年的諾貝爾化學獎得主們，運用低溫電子顯微術，在巨大生物分子的晶體結構解析之領域中節節勝利，將生物化學帶入了一個新的紀元(譯註1)。隨即在剛過完的2018年，公認的一項研究突破，包括兩篇論文(譯註2,3)，報導了利用電子顯微鏡，在低溫解出晶體尺寸小到100奈米(100×10-9 m)的小分子結構。有機化學家常需倚賴X-射線結晶術(X-ray crystallography)取得許多小分子的結構訊息，但瓶頸是必須先能取得大小在5微米(5×10-6 m)尺度且品質良好的晶體。這項新技術突破了樣品大小及品質的限制，按照目前的發展趨勢，不會意外，現在被稱為電子結晶術(electron crystallography)的工具，將成為化學家解開結構奧秘的利器。回到GP湯姆森，他背負著父親的盛名，卻能夠在一個新的方向創造偉業，真可謂虎父無犬子的最佳例證。
「科學概念是一系列思維的產物，每個人的思維依次修改前人的思維，並為後來者的思維提供材料」
George Paget Thomson (湯姆森)於1937年獲得諾貝爾物理獎，那是因為他在蘇格蘭亞伯丁(Aberdeen)大學的研究工作中發現了電子的波動性質。雖然他的父親JJ湯姆森已經證明了電子的存在，但GP湯姆森證明它可以像波那樣產生繞射，這一發現證明了波粒二元性的理論，而這個理論是由德布羅意(de Broglie) (譯註4)在1920年代初期首先提出的假設。該獎項與戴維森(Clinton Joseph Davisson)分享，後者獨立的在美國透過完全不同的研究路徑，得到同樣的發現。
1930年代初期，雖然湯姆森在電子繞射方面保持著興趣，但是在中子和正子以及人工放射性元素的相關發現後，他開始深入參與核物理領域。1939年，在核分裂過程存在的宣布之後，隨著該領域不可思議的擴展，湯姆森在建立英國戰時原子能計畫上發揮了重要作用，目標為建立可控制的連鎖反應。導致第二次世界大戰爆發的戲劇性事件，促使湯姆森在1940年至1941年間成立飛機製造部關鍵的MAUD委員會，其結論是原子彈為可行的。在戰爭結束時，湯姆森開始對和平應用熱核熔合感興趣，並協助推動了英國於世界上第一個建立的核熔合計劃。
電子轟擊金屬板的意外發現
從1920年開始，在美國貝爾實驗室(Bell Labs)工作的戴維森(Davisson)和革末(Germer)研究了這樣一個問題：受到電子轟擊的柵材和板塊所產生的二次電子放射的性質是什麼？對於這個題目，戴維森剛獲得了一位新助手，那是來自加州的新科博士昆斯曼(Kunsman)。在開始二次電子放射研究後不久，他們觀察到一種意想不到的現象：一小部分(約1％)的入射電子束被散射回電子槍方向，且幾乎沒有能量損失：亦即電子被彈性散射。戴維森對此現象所描繪的想法，是此散射機制類似於蓋革(Geiger)和馬士登(Marsden)實驗中研究之金箔的 a 射線散射機制，這個實驗之後，拉塞福(Rutherford)在1911年宣布了他的原子核模型。戴維森因此希望類似地使用散射的電子來探測原子內的核外結構，就像 a 粒子成為原子核的探測器一樣。他非常熱中於這個想法，並成功地獲得了許可，能將大部分研究時間用於這個新課題，且為此研究架構了特殊的儀器。其基本裝置是帶有電子槍的真空管，另有一個與入射電子束成45°角傾斜的鎳靶，和作為接收器的法拉第杯，它可以在可能的散射電子路徑中的整個135°範圍內移動，並設定法拉第杯接收電子的電壓範圍在入射電子能量的10％以內。幾個月後，他們在科學 (Science) 這份期刊發表了一篇論文，報告了他們的散射實驗方法所得到的曲線，和一個原子的結構模型，用以解釋由鉑和鎂散射的電子所觀察到的的角度分佈。但他們的數據，模型和預測的關係並不明確；相對地，拉塞福-蓋革-馬士登的實驗，其結果和理論解釋之間則有著緊密關聯性，二者相差甚遠。儘管令人失望，戴維森和昆斯曼仍繼續進行了幾年的研究，除了建造了新的真空管，還嘗試用其它金屬作為標靶，開發出了相當複雜的高真空實驗技術。總體來說，他們的散射計畫僅取得了有限的成功，當昆士曼在1923年底離開貝爾實驗室時，戴維森放棄了這個研究課題。
電子轟擊金屬產生散射的研究直到1924年10月才恢復，那時革末在長期病假後重返工作崗位。新的實驗使用電子去轟擊特殊拋光的鎳靶，最初得到的結果與前幾年獲得的非常相似。然後突然間，他們獲得了新而前所未有但令人費解之結果，這些結果似乎是由鎳靶的多晶結構的變化引起的。在入射電子束轟擊造成散射的區域，因產生的高溫形成了大約10種晶面，戴維森和革末推論，散射電子的新強度模式，應源自於晶體中原子的新排列方式，而不是由於原子內部的結構。戴維森和革末都不太了解晶體，所以他們花了幾個月時間檢查受損的靶和其它鎳表面，直到他們完全熟悉從各種製備和擺放狀態的鎳晶體所獲得的X-射線繞射圖。
在戴維森和革末進行實驗的時期，利用X-射線繞射來研究晶體已發展得相當全面，其對化學、生物化學、物理、材料和礦物科學的巨大影響才剛剛開始。X-射線繞射技術起源於1912年，當時封勞爾 (von Laue) 提出了一種觀點，假設X-射線是波長很短的電磁波，與晶格的原子間距尺寸相近，應可以發生X-射線的繞射。實驗證據立即證實了封勞爾的假設，而這項技術後來由亨利・布拉格(Bragg)，特別是他的兒子勞倫斯・布拉格完全的發展。到了1914年，他們已將簡單材料的X-射線分析簡化成標準程序。他們的發現，創造了X-射線晶體學的新科學，這個學科後來幾乎可為每個科學分支提供資訊，也導致了光譜學和固態物理的進一步發展，提供了一個理解高度複雜的分子和材料之結構的方法，最終產生了分子生物學領域。封勞爾憑藉其突破性的發現獲得了1914年諾貝爾物理獎，而布拉格父子則共同獲得了1915年的物理獎，〝表彰他們在X-射線分析晶體結構上的貢獻。”
在對晶體進行了幾個月的研究，以及對其受損鎳靶的檢查後，戴維森和革末認為將一個已知結構的大型單晶循特定方向擺放，應可成為更合適的靶材。他們在1926年4月獲得了合適的晶體，並將它安裝在一個新的設備中。然而，經過整整一年的準備，他們僅獲得了相當無趣的實驗結果，使得戴維森再次非常失望。在1926年的夏天，他計劃去英國度假，這是他與妻子一起設想的〝第二次蜜月”，但這將會給他一個全新的視角。
波粒二元論的發展
在戴維森和格末的實驗前幾年，亞瑟・康普頓(Compton)宣布了五年工作的結果，包括實驗和理論，與單色X-射線受碳靶中電子散射的實驗有關。根據康普頓的研究結果，散射的X-射線之波長，比入射到目標的X-射線波長更長，其差異隨著散射角的增加而增加。1923年，他在物理評論這份期刊中發表了一篇論文，其中他假設X-射線之電磁量子具有粒子性質，並以此輻射量子和電子之間的碰撞，運用能量和動量守恆來解釋他的數據。於1920年代初期，愛因斯坦在1905年提出之光的粒子性質學說仍然存在爭議。現在，康普頓的實驗實際上為粒子行為提供了明確而獨立的證據。康普頓因〝發現以他命名的效應”而被授予1927年諾貝爾物理獎。
在戴維森和格末進行實驗的時期，光的波粒二元性質剛因上述研究得到證實，但在此同時，德布羅意(de Broglie)在1924年11月25日於他的論文口試時，明確的提議了一個關於電子對晶體的繞射實驗，可以研究他所提出之物質的波粒二元性觀點。然而，由於難以產生所需的高真空並檢測低強度電子束，一些歐洲物理學家放棄了這些實驗的嘗試。特別是1925年初，在哥廷根(Göttingen)的玻恩(Born)之學生埃爾薩瑟(Elsasser)對這個問題產生了興趣，並指出了一些早期由冉紹耳(Ramsauer) 進行的，關於慢電子散射之實驗(在惰性氣體中電子橫截面低速部分的異常行為)，以及戴維森和昆斯曼的結果，可能解釋為電子波動性質的證據，因為其散射模式對應於波繞射所預期的行為。根據德布羅意的理論，電子的波長與其動量成反比；因此，高速電子具有短波長，與晶體中原子層之間距相當，當通過薄片材料或從晶體表面反射時，這種高速電子束應該會顯現波的繞射效應特徵。埃爾薩瑟檢查了上述實驗的概略數值，發現電子的波長的確坐落於正確的範圍。他在Die Naturwissenschaften (自然科學) 發表了一篇短文，並試圖進行實驗以定量的方式證實他的想法，但沒有成功，最終放棄了。
德布羅意的論文，以及海森堡(Heisenberg)，玻恩和喬登(Jordan)的新矩陣力學，是英國科學促進會於1926年夏天舉行的牛津會議上熱烈討論的主題。戴維森順道參加這個會議時，基本上並不知道這些新近的量子力學發展。聽到玻恩的演講時，他感到非常驚訝，因為1923年他和昆斯曼的實驗曲線被當成德布羅意電子波的確鑿證據。他們實驗數據中微弱的峰值，實際上，似乎已經讓確信波動力學能解釋量子理論的物理學家們，將之當成令人興奮的證據。會議結束後，戴維森與玻恩，法蘭克(Franck)和布拉克特(Blackett)進行了討論，向他們展示了他和格末用單晶獲得的一些最新成果。他們說服了戴維森，埃爾薩瑟的猜測是正確的，他的結果正是由於德布羅意物質波所造成。
電子繞射
在了解了物質波和波動力學之後，戴維森花了整個跨越大西洋之回程，試圖理解薛丁格(Schrödinger) 的論文，認為解釋可能存在其中。鑑於德布羅意理論是極為重要的基本性質，他已經確信有必要依賴更直接的證據，特別是需要證明它能夠預測而非僅僅解釋。
待他回國後，他們檢查了格末在戴維森不在的期間獲得之新曲線，發現觀察到的電子強度峰值，與他們從德布羅意-薛丁格理論所預期的角度之間存在相關差異。他們仔細檢查了整個裝置，並發現大部分的差異來自於收集箱開口的意外位移。經過一段時間的精心準備，他們開始了一系列新的實驗來尋找繞射的電子束(圖一)。實驗是專門根據德布羅意的關係式設計的，用以確定改變電子的波長是否可以觀察到任何影響。尋找〝量子峰”(具電壓依賴性的散射電子束)的實驗於12月底與新助手卡爾比克(Calbick)(剛畢業的電機工程師)共同展開。
1927年1月，他們真正成功發現了確鑿證據，顯示由鎳的單晶之電子繞射所產生的干涉現象。而像埃爾薩瑟，布拉克特，查兌克(Chadwick)和艾利斯(Ellis)這些優秀實驗者，即便對電子繞射的想法遠遠早於戴維森和格末，卻都失敗了。回顧他在牛津大學的會談以及所得的評論，戴維森覺得必須盡快發表(譯註5)，因為其他人可能也正在進行類似的研究。
湯姆森的突破性進展
實際上戴維森並不知道，GP湯姆森也的確在同時，對於高壓電子與金屬薄片產生的電子繞射現象之研究取得了突破性的進展。他在1926年9月知曉了戴維森的研究，因為當時他們都參加了該英國協會在牛津辦的會議。湯姆森早已對德布羅意的工作深感興趣，立即看到他當時的陽極射線工作如何可運用來測試這個想法。在他的情況中，從理論到實驗的路徑是線性的發展，與戴維森和格末不同，後者是在長期研究過程中得到的發現，也只有在貝爾實驗室的研發工作中才能完全理解。GP湯姆森在一所小型大學工作，而戴維森和格末則是在一個大城市中的一個大型工業實驗室工作。戴維森和格末的低能量實驗需要的精湛技術，屬於更一般性研究的一部分，與湯姆森和瑞德(Reid)具有更直接針對性目標的高能穿透實驗形成鮮明對比。
根據物質波理論，波一定會與任何物質粒子的運動相關聯；一個直接的測試，就是電子束通過晶格時應該產生繞射現象，這與1911年封勞爾(von Laue)及其同事，在慕尼黑大學用來證明X-射線的波動性質測試相同。由於推論使用固體應該會比用氣體標靶更容易進行結果分析，湯姆森要求他的學生瑞德(Reid)修改現有裝置，研究以能量在keV範圍內的電子束呈直角入射，通過賽璐珞(一種合成樹脂)薄膜的散射。通過薄膜的許多高能電子被偏轉，在靶後面的照相板上形成漫射環，與德拜-謝樂環(Debye-Scherrer ring)非常相似 (圖二)，這在相應的X-射線實驗中是眾所周知的。這結果立即指向了干涉現象，因為如果從薄膜的每個原子散射出的子波(wavelet)，與入射的陰極射線電子波的相位相同，就會發生這種情況。由於金屬的晶體中原子規則地間隔開，因此在任何特定方向上散射的子波之相位，將彼此具有確定的關係。在某些方向上，它們會具有相同相位並形成加強的散射波，而在另一些方向上，它們會通過干涉相互抵消，加強波類似於光線通過光柵產生的繞射。當時，賽璐珞中原子的排列方式尚不確定，只能得出較為一般的結論，但對於許多金屬，先前已透過X-射線確定了結構。所以湯姆森和瑞德改用已知晶格結構的金屬為標靶(鋁，金，鉑)。在每種系統中，偏轉的光束都生成了能明確解析的環，其尺寸與德布羅意物質波理論的預測高度相符(誤差在5％以內)。湯姆森和瑞德對這個實驗所進行的精彩修飾是值得一提的，他們將通過薄膜之後的光束，施加均勻的磁場，他們發現，對通過金屬板形成的環形圖案所受的偏動，與穿過膜上的孔洞的電子束具有相同的影響，這可區別由於X-射線產生的任何東西，並展示它一定是真實的電子性質。這些實驗精美地證實了德布羅意-薛丁格波動理論。
電子的波動性質
這些結果的簡述在1927年12月於自然 (Nature)期刊發表(譯註6)，兩個月後，湯姆森在〝皇家學會學報”上刊登了兩篇更詳細的文章。結論是：〝我認為，這些實驗與德布羅意理論所顯示的細節一致，必須被視為有利於它的強力證據。這意味著應接受普通牛頓力學(包括相對論修正)只是對真理的第一個估算，類似於幾何光學的完整理論與波動理論之間的關係。然而，即便難以接受如此廣泛的歸納，但若要解釋所獲得的結果，似乎不能不假設是某種繞射，因為它與理論得出的波長數值之一致性是極顯著的。“
同時，戴維森在1927年4月發表了他自己根據德布羅意理論，解釋慢速電子對單晶散射的結果。兩種結果都確立了電子的波動性質，且原則上亦確定了所有物質的波動性質。這兩種同時發現的電子繞射，在實驗技術方面，研究機構的環境，以及導致最終成就所採的科學路徑，在特徵上有著巨大的差異。在他的諾貝爾獎演講中，湯姆森本人證實了戴維森和格末的技術成就是實驗技能的勝利，主要是因為他們使用相對較慢的電子，是最難以處理的體系，真空必須非常出色，才能獲得有任何價值的結果：〝如果比較兩組實驗，那麼很明顯，戴維森和格末的那些工作，是實驗上的傑出成就，為有史以來最偉大的。亞伯丁大學的那些實驗非常簡單和容易，唯一的嚴重困難是製備良好的樣品。不難看出這種差異的原因，戴維森發現了一種他認為可能在某方面很重要的效應，為此他必須或多或少地研究這種效應。“
1927年10月在布魯塞爾舉行的第五屆索爾維(Solvay)會議期間，波爾，玻恩，海森堡和薛丁格都推崇戴維森和格末的實驗，乃證實了波動力學的理論根據甚至於公式。由所謂的哥廷根-哥本哈根學派的物理學家們提出之波函數的機率解釋，提供了基礎的概念框架，其中波粒二元論找到了理論上的一貫性。而兩年後的1929年諾貝爾物理獎頒給了德布羅意〝因為他發現了電子的波動性質”。
桂冠的榮耀
戴維森和湯姆森在1937年被授予諾貝爾獎，〝因為他們的實驗發現了電子對晶體的繞射。〞疾病阻止了湯姆森參加頒獎儀式，但他於次年前往斯德哥爾摩發表諾貝爾獎的演講。經過一些初步的感謝和評論之後，他用下面的句子開始了他的演講：〝傳說中學習的女神在宙斯的大腦中完全成長，但是很少有科學概念以最終的形式誕生，或者擁有一個單親。更多時候，它是一系列思維的產物，每個人的思維依次修改前人的思維，並為後來者的思維提供材料，電子也不例外。〞在概述電子的歷史時，他回憶起在十九世紀的最後幾年中，作為「電力原子」的電子〝不僅獲得了質量而且獲證其普遍性，它不僅是電力，而且是所有物質的重要組成部分。〞在與這一進展有關的許多名字中，湯姆森不可避免地提到，他的父親JJ能夠證明電子的存在。而身為兒子的他，則證明了電子可以像波一樣被繞射。
現在通過電子繞射研究晶體結構的路徑已經打開，晶體的X-射線繞射是探測金屬和其它晶體內部的有力工具。然而，電子與物質的相互作用比X-射線更強，因此可用於對小樣品(如氣體分子，薄膜或表面)進行更靈敏的研究。X-射線對於這種表面和薄膜研究是無用的，它們的穿透力太強，以至於它們直接通過樣品而沒有透露所需的信息。電子 – 穿透力小得多 – 可被晶體的表面和薄膜阻止、散射和反射，因此對於這種類型的研究非常有用。
結語
電子光學和真空技術花了很長一段時間改進，終讓電子的獨特性質被廣泛運用為探究局部微觀結構，和物質組成的敏感探針。電子繞射以及由von Halban和Preiswerk在1936年發現的中子繞射，成為一種極其重要的工具，提供物質 – 晶體和非晶體 – 在原子和分子層次的結構訊息。電子顯微鏡和繞射對比方法的開發，取代X-射線繞射而成為許多實驗室研究微觀結構的主要工具，這包括了材料科學，化學，礦物學和生物學。
由於涉及X-射線，中子或電子繞射的研究獲得了許多諾貝爾獎，更代表了晶體繞射應用的重要性和多樣性。
譯註
- 2017年諾貝爾化學獎簡介：https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2017.html
- Gruene, T.; Wennmacher, J. T. C.; Zaubitzer, C.; Holstein, J. J.; Heidler, J.; Fecteau-Lefebvre, A.; De Carlo, S.; Mgller, E.; Goldie, K. N; Regeni, I.; Li, T.; Santiso-Quinones, G.; Steinfeld, G.; Handschin, S.; van Genderen, E.; van Bokhoven, J. A.; Clever, G. H.; Pantelic, R. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 16313-16317.
- Jones, C. G.; Martynowycz, M. W.; Hattne, J.; Fulton, T. J.; Stoltz, B. M.; Rodriguez, J. A.; Nelson, H. M.; Gonen, T. ACS Cent. Sci. 2018, 4, 1587-1592.
- 本譯文中提到的諾貝爾獎得主之英文全名與其得獎原因：
JJ湯姆森 (Joseph John Thomson)：1906年諾貝爾物理獎
“表彰他在氣體導電研究上的理論和實驗造成的巨大貢獻”
拉塞福 (Ernest Rutherford)：1906年諾貝爾化學獎
“表彰他對一些元素的衰變和放射性物質的化學所做的研究”
封勞爾 (Max von Laue)：1914年諾貝爾物理獎
“表彰他在X-射線被晶體繞射所做的發現”
布拉格父子 (Sir William Henry Bragg and William Lawrence Bragg)：1915年諾貝爾物理獎
“表彰他們運用X-射線分析晶體結構所做的貢獻”
愛因斯坦 (Albert Einstein)：1921年諾貝爾物理獎
“表彰他在理論物理的貢獻，尤其是對於光電效應所發現的定律”
波爾 (Niels Henrik David Bohr)：1922年諾貝爾物理獎
“表彰他在原子結構與從它們發出的輻射線方面所做的的貢獻”
法蘭克 (James Franck)：1925年諾貝爾物理獎
“表彰他與Gustav Hertz發現了影響電子撞擊原子的定律”
康普頓 (Arthur Holly Compton)：1927年諾貝爾物理獎
“發現以他命名的效應”
德布羅意 (Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie)：1929年諾貝爾物理獎
“發現電子的波動性質”
海森堡 (Werner Karl Heisenberg)：1932年諾貝爾物理獎
“創造了量子力學，其應用尤其導致了發現氫的同素異形體”
薛丁格 (Erwin Schrödinger)：1933年諾貝爾物理獎
“因為發現更有效用的新形式原子理論”
查兌克 (James Chadwick)：1935年諾貝爾物理獎
“因為發現了中子”
德拜 (Petrus (Peter) Josephus Wilhelmus Debye)：1936年諾貝爾化學獎
“通過偶極矩的研究以及X-射線和電子在氣體中的繞射，增進了我們對分子結構的知識”
布拉克特 (Stuart Blackett)：1948年諾貝爾物理獎
“因為他開發了威爾遜雲室方法，以及在核物理和宇宙輻射領域的發現”
玻恩 (Max Born)：1954年諾貝爾物理獎
“表彰他對量子力學的基礎研究，尤其是對波函數的統計解釋”
- Davisson, C.; Germer, L. H. Nature 1927, 119, 558-560.
- Thomson, G. P.; Reid, A. Nature 1927, 119, 890-890.
原文出處：http://www.mediatheque.lindau-nobel.org/research-profile/laureate-thomson#page=1