托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验

托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验

排名第一.牛顿和托马斯·杨对光的性质研究得出的结论都不完全正确.光既不是简单地由微粒构成,也不是一种单纯的波.20世纪初,麦克斯·普朗克和艾伯特·爱因斯坦分别指出一种叫光子的东西发出光和吸收光.但是其他实验还是证明光是一种波状物.经过几十年发展的量子学说最终总结了两个矛盾的真理:光子和亚原子微粒(如电子、光子等等),是同时具有两种性质的微粒,物理学上称为波粒二象性.将托马斯·杨的双缝演示改造一下可以很好地说明这一点.科学家们用电子流代替光束来解释这个实验.根据量子力学,电粒子流被分为两股,被分得更小的粒子流产生波的效应,他们相互影响,以至产生像托马斯·杨的双缝演示中出现的加强光和阴影.这说明微粒也有波的效应.

托马斯 ·杨 (Thomas Y oung， 1773 ～1829) 双缝干涉实验对波动光学的建立作出了伟大贡献，而其应用于电子干涉实验的成功则有力地证实了实物粒子的波粒二象性，揭示 了微观世界的量子本性，开创 了量子理论的新纪元．经典物理学认为， 自然界只有两类物质：一类是实物粒子，另一类是相互作用场(波)．经典粒子是以同时确定的坐标和动量来描述其运动状态，有严格的运动轨道，遵从经典力学规律．能量、动量在粒子限度的空间小区域集中， 单个交换能量和动量，如原子、电子等．典型的物理过程是粒子的碰撞． 经典波动则是以场量，如振幅、相位、波长、能量及动量密度等来描述其运动状态，遵从经典波动方程．满足叠加原理，能量、动量是空间广延的，可连续改变或交换，如光波等．典型的物理过程是光的干涉和衍射．在经典物理中，粒子和波各为一类宏观体系所呈现，反映着两类对象、两种现象、两种物质运动形态．其运动特征是不相容的，

然而，从 l9 世纪末到20 世纪初，黑体辐射、光电效应等光的辐射、吸收特性实验却
无法用经典的波动理论来解释．爱因斯坦于1905 年提出了光量子假说，即光在与物质相互作用时，以能量  的量子形式出现，而且以这一微粒形式在空间以光速运动，这种微粒称为光量子，光是 由光量子所组成的光量子流．人们必须相信 ，电磁场(波) 既具有波动性又具有粒子性，即波粒二象性．
  那么，反过来粒子是否又具有某种波动性呢？1924 年冬， 巴黎大学的德布罗意发表
演讲“ …… 不是只有光如此，世界上的任何物体都是这样的．一些粒子物理学家也在实验室中遇到过粒子的不可思议行为．我通过研究认为， 物质的运动总伴随着一种波动性，也即物质波．物质波的波长和物质的动量存在这样的关系…… 我们也应该期望，物理学家们应该可以从微观粒子世界中得到关于物质波的更进一步的证明……”

德布罗意(De Broglie，1892 ～1987) ，法国物理学家，1924 年获得巴黎大学博士学
位，1928 年 起 任母校庞加莱学院理论物理学教授直 至 1962年退休，1933年当选
为法国科学院院士，因提 出“ 实物微粒也具有波动性” 而获 1929 年诺贝尔物理学奖． 在德布罗意提出物质波假说后，1927 年 C · J · 戴维孙和 L · H · 革末 由实验(Davisson —Germer experim ent) 证实电子射至晶体时有衍射现象，G · P ·汤姆孙将 电子束和中子束射向多晶箔片，在屏上得到了圆环形的衍射图样 ，戴维孙和汤姆孙因验证 电子的波动性分享1937年的诺贝尔物理学奖．1961年，约恩孙在铜膜上开 了缝宽为0.3 ，缝长为50 ，相邻缝间距为 1 的单缝、双缝、三缝、四缝、五缝做了实验．实验中采用 5O kv 电压加速 电子，利用电磁透镜放大在距狭缝35 cm 处图像．1988 年蔡林格等做了中子的双缝实验，与光波的双缝干涉实验结果极为相似，再次证明了德布罗意所假设的实物粒子的波动性确实存在!德布罗意的设想最终都得到了完全的证实．这些实物所具有的波动称为德布罗意波，即物质波.

在诸多证明实物粒子的波动性的实验中，电子双缝干涉实验是最本质，也是最完
整的，它被称做是十大“ 最美丽”的物理实验之一!之所以“ 美丽”，是因为它利用当年托马斯 · 杨证明光是一种波的方法，几乎一样地证明了电子是一种具有波的特性的物质，并诠释了量子理论中的“ 几率波”描述方式，告诉人们应如何放弃经典力学的思维而接受量子力学的革命．

单电子杨氏双缝干涉实验表明，当少量电子通过仪器落在屏上时，其分布看起来毫
无规律，并不形成暗淡的干涉条纹，这显示了电子的“ 粒子性”．但大量电子通过仪器时，则在屏上形成了清晰的干涉条纹，这又显示 了电子的“ 波动性”．

然而，对单电子杨氏双缝干涉实验的理解并不这么简单，还要从以下几个方面分
析．
   (1) 微观粒子有波动性，但不同于经典波．有观点认为，微观粒子的波动性是最基
本的，是由若干列波组成的一种波包．这种观点与实验相矛盾， 因而是错误的．设想以单个电子射向媒质分界面，如果电子是波包，那么它将被分裂为反射部分和折射部
分，从两个方 向可同时观察到 电子 的一部分．但实验中观察到的只有单个有一定质量和电荷的电子，从来没有观察到几分之一个电子．在单电子杨氏双缝干涉实验中也是如此．
  (2) 微观粒子的波动性是“ 几率波”．费曼曾经设计了一个对比子弹、水波和电子分别通过双缝的理想实验 ，来说明微观粒子与经典粒子和经典波的区别.对子弹而言，关闭下缝，子弹通过上缝到达屏上的密度分布如 曲线所示，关闭上缝，则子弹通过下缝到达屏上的密度分布如曲线 ．将  与  叠加，得到曲线 ．若同时打开上下两2缝，发射两倍数目的子弹，最后得到的子弹数目分布 曲线是曲线  ，显然， 曲线 与 完全一样，称为“ 非相干叠加”．可见，子弹的波动性表现很不明显，主要表现了粒子性．对水波而言，则主要表现为波动性．当它分别通过单缝时为衍射现象，通过双缝时被分为两个相干的次波源，它们在空间将进行相干叠加，所以在屏上将呈现出双缝干涉图样． 而对于单电子而言呢，同时打开双缝，电子就不会像水波那样分 成 两个次波源，而必须像子弹那样，只能通过其中一条缝．但是， 接收屏上出现的却是清晰的双缝干涉图样，这是单电子自身的干涉!这表明：一单缝的存在，的确影响了单电子通过另一单缝后的分布几率，虽然电子并不通过这一单缝． 由此可见，在电子双缝干涉实验中观察到的双缝干涉图样，是大量事件所显示出来的一种概率分布，是几率波相干叠加的结果，这正是玻恩对德布罗意波的物理意义的解释，即德布罗意波的强度和微观粒子在某处附近出现的概率密度成正比，也就是说，微观粒子在各处出现的概率密度才具有明显的物理意义．

(3) 量子力学是经典力学的革命．所以在经典力学想当然的概念，在量子力学中则
无意义，应予放弃，粒子和波都在此列．事实上，当探测器在某位置检测到电子时，并不知道电子从哪个缝通过的．就算特别设计仪器，可以检测出电子由哪个狭缝通过的话，
那干涉现象也就同时消失了． 因此也可以说电子是同时通过双狭缝而造成干涉现象的．
可见，粒子和波其实都不是量子力学中的语言，量子力学的语言即是波函数，只有接受

了波函数，才不会执著在粒子和波的概念上.

具有波粒二象性的物质波概念在理论和实验上得到证实后，实物粒子的波动性便迅速得到广泛的应用.由于电子波长比可见光波长小数量级，从而可大大提高电子显微镜的分辨率．两人分享1986 年的诺贝尔物理学奖．而托马斯 ·杨的双缝演示应用于电子干涉实验的成功，也成为20 世纪物理学史上一处最美丽的风景.