Клинтон Дэвиссон

Биография

Американский физик Клинтон Джозеф Дэвиссон родился в Блумингтоне (штат Иллинойс). Он был одним из двух детей и единственным сыном подрядчика малярных работ Джозефа Дэвиссона и школьной учительницы Мэри (Калверт) Дэвиссон. Д. окончил блумингтонскую среднюю школу в 1902 г. Во время обучения в Чикагском университете он проявил столь выдающиеся способности к физике, что в середине 1903/04 учебного года один из его профессоров, Роберт А. Милликен, рекомендовал Д. на место умершего преподавателя физики в Университете Пердью. В 1904 г. Д. возвратился в Чикаго и в следующем году стал преподавателем физики Принстонского университета. За четыре летние сессии в Чикагском университете Д. к 1908 г. завершил диссертацию и получил степень бакалавра наук.

В Принстоне Д. работал ассистентом английского физика Оуэна У. Ричардсона, который стал руководителем его докторской диссертации. В 1911 г. Д. завершил докторскую диссертацию по физике и магистерскую по математике. Диссертация называлась «О тепловом испускании положительных ионов горячими телами» («On the Thermal Emission of Positive Ions From Hot Bodies») и относилась к области термоионной эмиссии. Ричардсон придумал этот термин для обозначения всего круга явлений, связанных с испусканием электрически заряженных частиц горячими телами.

В годы обучения и в колледже, и в университете Д. практически не пользовался чьей-либо материальной поддержкой. В августе 1911 г. он женился на сестре Ричардсона Шарлотте Саре. У Дэвиссонов родилось четверо детей. Когда Д. стал ассистент-профессором в Технологическом институте Карнеги, чета Дэвиссонов переехала в Питсбург. Преподавательская нагрузка Д. была столь велика, что за шесть лет ему удалось реализовать лишь один свой замысел и опубликовать полученные результаты.

Когда Соединенные Штаты вступили в первую мировую войну (1917), Д. попытался записаться добровольцем в армию, но был отвергнут медицинской комиссией. Он был необычайно хрупкого сложения, и, хотя на здоровье обычно не жаловался, ему приходилось экономить силы, запас которых был явно ограничен.

Взяв на время войны отпуск без сохранения содержания в Технологическом институте Карнеги, Д. перешел на работу в инженерный департамент фирмы «Вестерн электрик», где занялся разработкой электронных ламп для нужд армейских средств связи. Такие лампы работают как своего рода электронные клапаны, позволяя регулировать поток электронов от раскаленной нити к положительно заряженной металлической пластине. Напряжение, подаваемое на металлическую сетку, расположенную между нитью и пластиной, позволяет модулировать поток электронов. Несмотря на то что исследования, проводимые в военных целях, отнимали немало сил и времени, Д. умудрялся работать и над проблемами фундаментальной физики. Вскоре он снискал репутацию изобретательного и тонкого экспериментатора, умеющего преодолевать любые трудности. По окончании войны Д. продолжал работать в инженерном департаменте «Вестерн электрик», ставшем впоследствии фирмой «Белл телефон лабораториз».

В «Вестерн электрик» Д. занимался исследованием термоионной эмиссии и эмиссии электронов из металлов при бомбардировке поверхности электронами. Он пытался выяснить механизмы эмиссии электронов из раскаленных нитей в электронных лампах. Если нить или ее покрытие оксидами металлов, которое увеличивает эмитирующую способность, перестают функционировать, то электронная лампа как прибор становится бесполезной. Исследования Д. помогли увеличить срок службы электронных ламп.

В новых, более сложных электронных лампах с промежуточными металлическими сетками первичные электроны, летящие от нити к приемной пластине, имели слишком большую энергию и, бомбардируя сетки, индуцировали эмиссию вторичных электронов, что ухудшало работу электронных устройств. В 1919 г. Д. приступил к исследованию взаимодействия электронов с поверхностью металлов. Он направлял на поверхность электронный пучок и измерял скорость, энергию и углы вылета испущенных поверхностью вторичных электронов. Вместе со своим сотрудником Ч.Г. Кунсманом Д. провел измерения рассеяния электронов поликристаллическими металлами (обычный, коммерчески доступный металл состоит из множества очень мелких кристаллов), но он не сумел объяснить полученных результатов.

В 1925 г. немецкий физик Вальтер Эльзассер высказал предположение о том, что картина рассеяния может быть объяснена волновой природой электрона. Незадолго до того французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу о волновой природе электронов. Длина волны электрона, согласно де Бройлю, обратно пропорциональна его скорости. По мнению Эльзассера, при напряжениях, с которыми работал Д., длина волны электронов становилась сравнимой с длиной волны рентгеновского излучения, которое эффективно взаимодействует с атомной решеткой металлического кристалла. Но поскольку Эльзассеру не удалось подтвердить свою гипотезу экспериментально, Д. не принял ее.

В 1925 г. во время эксперимента по рассеянию электронов никелевая мишень, которую использовали Д. и Лестер X. Джермер, в результате нарушения вакуума подверглась сильному окислению. Чтобы удалить оксид никеля, экспериментаторы отожгли мишень сначала в водороде, а затем в вакууме. Фокусируя пучок высокоскоростных электронов на различных гранях кристаллической никелевой мишени, они измеряли число электронов, отраженных под различными углами. Первоначально электроны отражались упруго, как резиновые мячи отскакивают от твердой стенки. Но после изменений в структуре кристаллической мишени, вызванных температурной обработкой, в распределении рассеянных электронов обнаружилась сильная зависимость от ориентации кристалла. Д. и Джермер, приписав изменившееся угловое распределение рассеянных электронов дифракции электронов на мишени, которая на этот раз состояла не из множества мелких, а из нескольких крупных кристаллов никеля, исследовали рассеяние электронов на монокристаллических мишенях.

На состоявшемся в 1926 г. собрании Британской ассоциации поощрения наук Д. обсудил результаты своих экспериментов с Максом Борном, Джеймсом Франком и П.М.С. Блэкеттом. Те убедили его в правильности объяснения, предложенного Эльзассером, и в том, что наблюдаемые им картины рассеяния электронов обусловлены взаимодействием волн де Бройля. По возвращении в свою лабораторию Д. начал систематический поиск явлений, связанных с интерференцией волн де Бройля. В январе 1927 г. он наблюдал пучки электронов, возникающих при дифракции на монокристалле никеля. Экспериментальные результаты дали превосходное подтверждение предсказаний волновой теории вещества (в данном случае электронов) дe Бройля.

Д. и Дж.П. Томсону была присуждена Нобелевская премия по физике 1937 г. «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах». Оба лауреата доказали существование одного и того же явления, хотя Томсон работал независимо и использовал другие методы. При вручении премии Ханс Плейель из Шведской королевской академии наук отметил, что достижения Д. и Томсона не только «расширили... наше знание природы электронов», но и «привели к... первому положительному, экспериментальному доказательству волновой природы материи».

В последующие годы Д. обратился к исследованиям в области электронной оптики, особенно его интересовали ее технические проблемы. Проведенные им исследования взаимодействия электронных пучков с электрическими и магнитными полями в пространстве способствовали изобретению Эрнстом Руской в 1939 г. электронного микроскопа.

Более поздние работы Д. по применению электронных пучков в физике кристаллов привели к созданию средств исследования структуры поверхности и ряда химических приборов. Полученные Д. результаты нашли применение при создании микроволновых источников, используемых в радарах, кварцевых генераторах и различных областях физики.

Вместе с четырьмя своими детьми супруги Дэвиссоны любили проводить лето в своем доме в Бруклине (штат Мэн), который Дэви, как называли Д. друзья, построил своими руками. Там он совершал дальние прогулки, читал, играл в теннис, ходил в театр и размышлял над проблемами теоретической физики. Д. принадлежал к числу тех немногих физиков, имеющих опыт работы в промышленности, которые не проявляли ни малейшей склонности к административной работе или лидерству. Его внутренним стимулом было стремление к полному и точному познанию исследуемого явления. На протяжении всех лет его работы в промышленности коллеги не раз приходили к Д., чтобы обсудить проблемы, срочно требовавшие решения, и почти никогда не уходили без идей, которые существенно продвигали их на пути к достижению цели.

После ухода в отставку из «Белл лабораториз» в 1946 г. Д. стал приглашенным профессором в Университете штата Виргиния и оставался на этом посту до 1954 г. Он скончался во сне 1 февраля 1958 г. в Шарлоттесвилле (штат Виргиния).

Д. состоял членом многих научных обществ, в том числе Национальной академии наук и Национального совета по научным исследованиям США. Был удостоен премии Комстока американской Национальной академии наук (1928), медали Эллиота Крессона Франклиновского института (1931), медали Хьюза Лондонского королевского общества (1935), медали для выпускников Чикагского университета (1941). Он состоял почетным доктором наук Университета Пердью, Принстонского университета, Университета Лайонз и колледжа Колби.