目次序章開拓者たちのひらめきに学ぶ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1 第1章白熱電球開発に見る表面科学の原点・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7 1.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7 1.2 炭素フィラメントからタングステンフィラメントへ・・・・・・・・・・・・・・・9 1.3 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・15 第2章オージェ効果の証明と固体表面分析法への応用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17 2.1 オージェ遷移過程を明らかにした霧箱実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・17 2.2 Lander によるオージェ電子の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・26 第3章 X 線光電子分光法の開発史・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・35 3.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・35 3.2 Siegbahn の XPS 開発の経緯・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・36 3.3 磁場電子エネルギー分光器の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・37 3.4 アメリカにおける XPS の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・40 3.5 大型磁場電子エネルギー分光器の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・42 3.6 静電場電子エネルギー分光器の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・47 3.7 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・49 第4章電子回折の発見と電子の波動性の証明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・52 4.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・52 4.2 Davisson-Germer の実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・52 4.3 Davisson の苦悩・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・57 4.4 再実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・59 4.5 Thomson の実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・61 4.6 Davisson と Thomson・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・64 4.7 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・65 第5章電子回折の実験に成功・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・67 5.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・67 5.2 菊池正士の最初の電子回折の論文・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・69 5.3 線状および環状パターンの発見・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・72 5.4 精度を上げた実験による菊池線の観測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・74 x 目次 5.5 反射高速電子回折の実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・77 5.6 RHEED ストリークの問題・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・78 5.7 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・80 第6章電界放射顕微鏡からアトムプローブへ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・82 6.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・82 6.2 電界放射顕微鏡の誕生・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・83 6.3 電界イオン顕微鏡の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・86 6.4 アトムプローブの発明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91 6.5 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・93 第7章走査型プローブ顕微鏡の誕生・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・95 7.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・95 7.2 STM 開発の周辺環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・96 7.3 STM 装置技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・98 7.4 AFM の黎明期・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・105 7.5 日本における STM 黎明期・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・107 7.6 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・110 第8章熱電子の研究とリチャードソン効果の発見・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・112 8.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・112 8.2 研究の価値と時代背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・114 8.3 加熱された金属から放出される電流：Richardson の研究・・120 8.4 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・125 第9章赤外分光法による固体表面吸着種を調べる方法の開拓・・・・・・・・・・・・・127 9.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・127 9.2 赤外分光法が用いられる前の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128 9.3 赤外分光法の初期・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128 9.4 Eischens らが発表した最初の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・129 9.5 初期の研究例・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・132 9.6 初期に見出された赤外分光法による吸着研究の利点・・・・・・・・・・・135 9.7 赤外分光法のその後の発展・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・136 9.8 赤外反射吸収分光法の発展・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・137 9.9 HREELS による Pt 単結晶上に吸着した CO・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・138 9.10 表面赤外分光法の将来・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141 目次第 10 章 xi 紫外光電子分光，放射光表面科学の先駆者・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・143 10.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・143 10.2 Spicer の略歴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・144 10.3 光電子放出機構の解明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・145 10.4 負の電子親和力 (NEA)：高感度光電管の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・148 10.5 放射光表面科学のパイオニアとして・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・149 10.6 おわりに：その後の放射光表面科学の発展・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・157 第 11 章表面理論の幕開け・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・161 11.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・161 11.2 ニューンズ模型とは・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・162 11.3 ニューンズ模型の解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・163 11.4 遷移金属表面の水素吸着系の理論予測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・165 11.5 ニューンズ模型の展開・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・167 11.6 金属表面の第一原理的電子状態理論の誕生・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・167 11.7 表面のジェリューム模型とコーンシャーム方程式・・・・・・・・・・168 11.8 ジェリューム表面の電子密度分布とポテンシャル・・・・・・・・・・・・170 11.9 おわりに：Lang と Kohn の論文が先導したもの・・・・・・・・・・・・・174 第 12 章アンモニアの成分元素（窒素，水素）からの合成・・・・・・・・・・・・・・・・・・176 12.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・176 12.2 飢餓の訪れと窒素固定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・177 12.3 窒素と水素とからアンモニアを作る試み・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・179 12.4 Haber について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・179 12.5 Haber と Nernst・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・182 12.6 ハーバー法の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・183 12.7 ハーバー法の工業化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・184 12.8 その後の Haber・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・187 12.9 その後の発展・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・189 第 13 章触媒反応の機構解明と固体表面のリアルタイム観察・・・・・・・・・・・・・・192 13.1 Ertl の代表的研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・192 13.2 アンモニア合成の機構解明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・193 13.3 CO の酸化反応の機構解明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・198 13.4 非線形な表面反応現象・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・201 xii 目次 13.5 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・205 第 14 章電気二重層理論の黎明・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・207 14.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・207 14.2 電気二重層論文以前：シュテルンゲルラッハの実験・・・・・・・208 14.3 電気二重層の理論：GC 理論のシュテルン補正・・・・・・・・・・・・・・・・212 14.4 GCS 理論その後・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・221 第 15 章 LB 膜作製技法（単分子累積法）の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・224 15.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・224 15.2 Blodgett の略歴：科学研究に捧げた生涯・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・228 15.3 論文の構成と内容・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・230 15.4 おわりに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・245 終章開拓者たちの研究の広がり・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・249 人名索引・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・253 用語索引・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・256