电子波动性的发现

电子波动性的发现

19世纪末与20世纪相交之际，X射线、电子、放射性三大发现彻底改变了以往人们对于物理学的看法，科学家们认为应以它们为基础再建造一座崭新的现代物理学大厦。于是其后接踵而来的20多年就成为物理学发展史上最令人激动的时期之一。这一阶段，新思想、新理论此起彼伏、层出不穷;新实验、新发现一个接着一个，使人目不暇接。电子波动性的发现就是这其中之一。

大胆的科学假设

1900年，德国物理学家普朗克在德国物理学会会议上公布了一个令人震惊的结果:黑体辐射中所放出的能量是不连续的，而是以一个与辐射频率有关、以hv为最小能量单位一份一份地发出的。普朗克为人们描绘的自然界是离散式的。1905年爱因斯坦以量子论成功地解决了光电效应问题及1906年密立根对爱因斯坦光电效应方程的实验验证，使得光的粒子性被人们普遍接受。另一方面，1912年德国物理学家劳厄的X射线衍射实验和1922年美国的物理学家康普顿的X射线散射实验，使人们对电磁辐射的波动、粒子二象性有了清楚理解。

这一切都似乎在不显山水地提醒科学家注意:既然像光这类电磁辐射都具有微粒性，那么，实物粒子为什么不具有波动性呢?对此，科学家们心照不宣，他们需要足够的勇气。

1924年，法国巴黎大学年轻的研究生、在物理学界还是无名小卒的德布罗意经过较长时间的思考之后，果然在他的博士学位答辩论文中提出一个大胆的设想:实物粒子具有波动性。他认为19世纪在对光的研究上，只重视了它的波动性而看轻了其粒子性，而对实物粒子的研究上却只看重了它的粒子性而轻视了其波动性。

德布罗意还提醒答辩委员会注意，他的假设可以通过电子的运动加以证实，并天才地预言当电子束从小孔穿过时就能呈现出衍射效应——表现出波动性。由于德布罗意的假设在当时过于超前离奇，以致答辩委员会在决定是否应授予他学位时举棋不定而不得不征求大名鼎鼎的爱因斯坦的意见。爱因斯坦尽管认为这一假设对真实粒子的适用性如何，尚是一个需要实验验证的悬念，但同意授予德布罗意博士学位。

科学上的每一个假设必须得到实验的证实，否则它便无法成立。那么谁来对实物粒子具有波动性这一假设来验证呢?当时几乎没有人认为这是可能做到的，也没有人关心这方面的实验，直到四年之后，美国的物理学家戴维孙和英国物理学家G·P·汤姆孙用不同的方法证实了电子具有波动性。

成功来自于失败

1881年12月22日，戴维孙出生于美国伊利诺州的卢明顿，他的父亲是荷兰和法国移民的后裔，母亲是英格兰和苏格兰人的后裔。1902年，戴维孙中学毕业后由于数学和物理成绩优异获得奖学金进入芝加哥大学学习，但由于经济困难，一年之后又不得不回到家乡谋职求生。由于他在芝加哥大学曾受教于著名实验物理学家密立根教授，而且在离开芝加哥大学后始终得到密立根教授的关怀和帮助，因而戴维孙并未中断自己的学习和科学研究。1927年，当他转到贝尔电话实验室任职时，其科学研究的能力和水平已令人刮目相看。

中国有一句成语叫“塞翁失马，焉知非福”，戴维孙的电子波动性的发现，正好应验了这句话。他是在一次不幸的实验事故中取得成功的。

1925年的一天，戴维孙和他的助手革末正在实验室做电子的晶体散射实验，研究电子经普通镍靶散射后角分布的规律。由于靶子温度很高，真空管突然破裂，从破裂口进去的空气又使镍靶严重氧化。他们不得不维修设备，由于使用的镍靶是经过特殊抛光的。在修复真空管时，还必须使镍靶在真空中长时间加热以去净表面的氧化物。(https://www.daowen.com)

两个月后他们恢复了实验，但第一次的实验结果就使他们大吃一惊，电子的角分布曲线几乎变成了X射线的衍射花样。他们对此迷惑不解，因为经过反复检查后，并没有发现X射线，有的只是电子流。为了查明原因，他们不惜又一次中断实验，锯开真空管，并请来有名气的显微镜专家鲁卡斯帮助找原因。在鲁卡斯的协助下，他们发现镍靶已在修复当中因加热发生了变化，原来磨得极光、包含许多小晶粒的镍靶表面已变成了几块较大的单晶体。他们推测，这种新的散射花样可能是由于镍靶晶体中原子的重新排列所引起的。

面对这一预想不到的重要的新现象，戴维孙和革末不是回避它，而是积极地去探索。他们不但继续做实验，而且还利用由不同制备过程得到的镍靶的实验结果与之进行比较。但是两年过去了，他们所有的努力都付之东流，再也没有获得那次偶然事件的实验曲线。

1926年春季，戴维孙到英国度假，期间他顺便参加了在牛津举行的英国科学促进会。当他听了物理学家玻尔的报告后，感到十分惊讶，因为早在两年前德布罗意就提出了实物粒子具有波动性的假设，而自己在美洲大陆竟对此一无所知。并且他正在做的工作与德布罗意建议的实验是如此相近，以致于他似乎觉得那种特殊的曲线也许能验证德布罗意的假设。

回到美国之后，戴维孙和革末立即恢复工作，他们的目的非常明确，设法用实验证实德布罗意的假设。戴维孙在实验中通过改变加速电压使电子具有不同的能量。1927年1月，他们终于发现当电压为65伏时，在与电子流入射法线为45度的散射方向上出现了最强的电子束。经过初步的理论分析，他们认为这与发现电子具有波动性的距离已经很近了。

到了这年8月份，他们共获得30种这类电子射束的曲线，更使他们惊喜不已的是其中的29种竟可以用德布罗意的理论给出圆满的解释，结论可靠无误，电子确有波动性。12月份，他们在《物理评论》上发表了关于实验结果和理论分析的文章，得到了物理学界的强烈反响，事实上，物理学家早就急切地等待这一奇迹的出现。在此还要提到另一位英国物理学家汤姆孙，他是那位因发现电子而荣获1906年诺贝尔物理学奖的老汤姆孙的儿子。小汤姆孙从小就受到良好的科学教育，成年后又跟随父亲老汤姆孙在卡文迪许实验室从事物理学研究。1922年，年仅30岁的小汤姆逊已是阿伯丁大学的物理学教授。1926年，小汤姆孙出席了在牛津举行的科学促进会，并与当时许多参加会议的著名物理学家讨论德布罗意的理论。会议结束后，小汤姆孙突然想到如果电子具有波动性，那就会产生衍射效应，于是他立即开始工作。但他使用的样品不是单晶体，而是一张薄金属箔，这样的样品是由无数取向杂乱的微细晶体组成的。

在实验中，小汤姆孙保持电子的能量不变，电子流穿过样品后在照相板上形成了同心环纹。这与德拜的X射线粉末衍射图样完全相似，因而小汤姆孙就用另一种方法证实了电子具有波动性。

现代科学的基石

电子波动性的发现是20世纪物理学上最伟大的发现之一。正是由于有了可靠的实验支持，德布罗意的理论才得到科学界的承认。并且，以德布罗意的理论为基础迅速地发展起来现代物理学上最重要的理论量子力学。

根据我们日常的经验，微小的物质世界已经超出人们的感觉。但是我们能够触及和看到的所有一切，包括传递触觉的神经脉冲和光在内，其特性都归结于原子和分子构成的精巧建筑物，而量子力学便是营造出这些建筑物的法规。至于那些直接依赖原子过程的宏观现象，例如激光、超导材料、固体电子学等现代科学技术的研究更是要用到量子力学。因而我们应当说，如果没有电子波动性的发现，就不会有现代科学的今天。

电子具有波动性这一功能本身也广泛地应用于现代科学技术之中，电子显微镜便是其中之一。

电子波动性的发现，使得德布罗意由于提出实物粒子具有波动性这一假设得以证实，并因此而获得1929年诺贝尔物理学奖。而戴维孙和小汤姆孙由于发现了电子的波动性也同获1937年诺贝尔物理学奖。但是两位物理学家一个在欧洲大陆，一个在美洲大陆，并且在根本不了解对方工作的情况下，采用不同的方法但却是几乎同时完成一个伟大的发现，也是科学史上一个少见的巧合。另外，父亲老汤姆孙因发现电子是粒子而不是波动获得诺贝尔奖，而儿子小汤姆孙又因发现电子既是粒子又是波动也获得诺贝尔奖，更是物理学上的一件趣事。