物质波思想的实验验证

德布罗意在1923年9月24日发表的文章里曾预言：“一束电子穿过非常小的孔，可能会产生衍射现象，这也许可以验证我的假说。”但十分奇怪和令人不解的是他的哥哥莫里斯·德布罗意没有从事这一具有伟大物理意义的实验，结果把诺贝尔物理学奖拱手让给了美国的戴维孙和英国的G. P. 汤姆逊。

（1）戴维孙逢凶化吉

1919年前后，戴维孙和康斯曼（C.H. Kunsman）开始研究电子二次发射不久，就发现了一个完全出乎意料的现象，有约1％的入射电子被散射回来了，方向直指电子枪，而且能量也没有损失。显然，金属与电子发生了弹性碰撞。他们还特别注意到二次电子散射时的角度分布有两个极大值，并且出现绝对没有预料到的曲线（如图（6—1））。在进一步实验的基础上，他们提出了一个原子壳层模型，并根据这一模型作了定量计算。不幸的是，他们的实验数据、模型和预言都与卢瑟福的理论和实验不一致。尽管戴维孙仍坚持继续实验，但到1923年仍毫无结果，于是康斯曼离他而去，他自己也有一年没有继续做散射实验。

正当戴维孙灰心丧气时，他们的散射曲线却引起了德国科学家们的关注。首先是玻恩让他的研究生洪德（F. Hund）根据戴维孙的模型重新计算散射曲线中的极大、极小值，并将计算结果在讨论班上做了报告。玻恩的研究生另一位埃尔萨瑟听了洪德的报告后，对这一散射曲线有了不同一般的兴趣，因此玻恩就建议他认真做一些研究。埃尔萨瑟在做了一番研究之后，认为戴维孙和康斯曼散射曲线中的极大值有可能是电子波动性造成的。他在利用德布罗意公式估算了极大值所需的电子能量后，发现数量级是相符合的。由此埃尔萨瑟清晰地看到了德布罗意理论可以怎样得到验证。他指出，如果德布罗意是正确的，那么一块单晶体就应该能使照射到其上的一束电子发生衍射；埃尔萨瑟还从计算中得出，如果用150伏特的电压加速电子，它们就应该具有一百亿分之一米的波长，只比位于典型金属中的原子之间的间隔稍小一点。埃尔萨瑟指出，这就是电子发生衍射的适当条件。因此如果德布罗意是正确的，实验家们应该能够在从晶体中以不同角度散射出来的电子数中，探测到波峰和波谷。1925年，埃尔萨瑟在德国的《自然科学》上发表了题为《自由电子的量子力学说明》的论文。在论文中，埃尔萨瑟指出，利用电子的波动性完全可以解释戴维孙和康斯曼的散射曲线。他还指出，如果用大单晶使电子束反射，那就会更加明显而有决定性地证明电子衍射现象。

图（6—1）1921年戴维孙—康斯曼电子散射曲线。

爱因斯坦看了埃尔萨瑟的文章以后对他说：“年轻人，你正坐在一座金矿上。”

据G. P. 汤姆逊说，戴维孙读过埃尔萨瑟的文章，但认为埃尔萨瑟的说法不正确。

美国实验物理学家戴维孙和革末（右）。

1924年，戴维孙又回到电子散射实验上来了。10月份，美国实验物理学家革末（Lester Germer，1896—1971）代替康斯曼当戴维孙的副手。功夫不负有心人，这次戴维孙交了好运，竟在一次不幸的事故中，不自觉地按埃尔萨瑟的预言（用大单晶作为金属靶）行事了。有一天，他的助手革末正准备给实验用的管子加热去气，真空系统的瓶子突然破裂了，空气冲进了真空系统，镍靶严重氧化。过去也曾发生过类似事故，整个管子往往就报废了，这次戴维林决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热，给阴极去氧。经过两个月的折腾，又重新开始了正式试验。这一次出现了奇迹。1925年5月初，结果还和1921年所得差不多，可是5月14日曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值（如图（6—2—c）所示）。他们立即采取措施，将管子切开，看看里面发生了什么变化。经一位显微镜专家的帮助，发现镍靶在修复的过程中发生了变化，原来磨得极光的镍表面，现在看来构成了一排大约十块明显的结晶面。也就是说，镍靶受到氧化，晶格的排列发生了变化，由多晶变成了单晶，于是5月14日的散射实验曲线出现了埃尔萨瑟曾经预言的极大值。但是戴维孙不清楚（或者不相信）埃尔萨瑟的预言，所以看到极大值的出现十分惊诧，这时他仍然没有把有极大值的图形与电子的衍射联系起来，只是含糊地断定散射曲线“反常的原因”在于原子重新排列成晶体阵列。

图（6—2）偶然事件前后电子散射实验曲线比较：（a）1921年，戴维孙与康斯曼的实验结果；（b）1925年4月29日，戴维孙与革末的实验结果；（c）1925年5月14日，戴维孙与革末的实验结果。

但是，这一事故促使戴维孙和革末修改他们的实验计划。他们做了一块大的单晶镍，并且取一特定方向来做实验。他们事前并不熟悉这方面的工作，所以前后花了近一年的时间，才准备好新的镍靶和管子，然后于1926年春夏之交又继续实验。

事有凑巧，1926年夏天，戴维孙陪他的夫人到英国探亲，使他有机会随同英国物理学家里查孙（Owen Richardson，1879—1959，他的妹妹是戴维孙的妻子）参加英国科学促进会1926年8月10日在牛津召开的会议。会上他听到玻恩说，戴维孙和康斯曼所做的散射实验是德布罗意物质波理论所预言的电子衍射的证据，这使戴维孙感到十分意外。会后，戴维孙与玻恩、弗兰克、布莱克特（Patrick Blackett，1897—1974，英国物理学家，1948年获得诺贝尔物理学奖）等人进行了热烈而深入的讨论，玻恩还建议戴维孙仔细研究一下薛定谔论述波动力学的论文。

玻恩在他的自传《我的一生》中回忆道：

1925年的一天，我收到了美国物理学家戴维孙的一封来信，我想他是在贝尔电话实验室工作的，而且曾到哥廷根访问过我们。这封信描述了金属表面上电子反射的实验，还包括一些照片和曲线图，它们显示了很突出的结果，即在某些方向的反射有奇怪的极大值和极小值。我把这些结果拿给弗兰克看了，我想正是弗兰克首先提到了以下的可能性：戴维孙的极大值代表金属晶格反射的电子的德布罗意波产生的干涉条纹。于是我对最大强度的角做了初步的估计，这一估算对上述想法是有利的。接着我们要求弗兰克的一位学生埃尔萨瑟（他后来转到我的部门并从事理论方面的工作）仔细地探索这个问题。他的文章发表在《自然科学》上，这是对德布罗意理论的第一次证实。后来，戴维孙与革末一起用系统的实验证明了德布罗意物质波的存在。同样，G. P. 汤姆逊也独立地做到了这一点，他是J. J. 汤姆逊的儿子。

由此可知，戴维孙在听了玻恩他们的意见之后，才有了明确而又令人激动的研究目标。1926年11月戴维孙在给里查孙的信中高兴地说：

我仍然在为薛定谔等人的理论进行实验。我相信，我已经得到了一点想法，特别是已经明确了用我们这个散射实验如何验证物质波理论。

1927年1月，他们的实验终于成功地验证了德布罗意的物质波理论，电子衍射实验宣布成功。同年4月份英国《自然》杂志随即刊登了他的实验结果。两个月后，该杂志又刊登了G. P. 汤姆逊的电子衍射实验报告。

（2）G. P. 汤姆逊的高能电子衍射实验

英国物理学家G. P. 汤姆逊。

戴维孙的电子衍射用的是低能电子束，这种实验正如G. P. 汤姆逊在1967年所说：“极为困难……即使现在去做也很难重复。而我的（高能电子衍射）实验就容易得多了。”

1924年德布罗意关于物质波的论文在《哲学杂志》上发表不久，G. P. 汤姆逊就读了这篇论文，立即表示赞赏，并于1925年写了一篇文章试图评价德布罗意的论文，该文也发表在《哲学杂志》上。

这似乎有点不寻常，因为当时绝大部分物理学家都无法接受德布罗意的理论，何以G. P. 汤姆逊独具慧眼，对之赞赏呢？也许他自己的一段回忆可以解释这一疑点：

那时老布拉格说过一句后来常常被人们引用的话，他说，星期一、三、五，光的行为像波，星期二、四、六，它又像粒子，到星期天那就什么也不像了。这句话把当时的情形形容得简直太妙了。造成这种局面的根源就是h所隐藏的伟大秘密。

当时我们都在设法寻找可能的方法，将这些明显无法调和的东西调和起来。有一种想法认为，也许光实际上就是粒子，只不过用波伪装起来。但为什么会这样呢？谁也说不清楚。我听到的第一个建议是小布拉格提出的，有一次小布拉格，即劳伦斯·布拉格爵士对我说，他认为电子并不像看起来那么简单。他以后没有对这一想法追究下去，但却给我留下了一个极为深刻的印象。所以，德布罗意的第一篇论文在1924年的《哲学杂志》上登出来以后，我就对之十分赞赏，并也在1925年7月的《哲学杂志》上发了一篇短文评论德布罗意的假说。这篇文章实在不怎么样，也许堪称糟糕理论文章的典范。我这儿提到它是为了说明，当德布罗意论文第一次出现时，我对他的假说的确十分注意。

G. P. 汤姆逊也参加了1926年8月10日的英国科学促进会。据他回忆，他没有与戴维孙说过话，也没有读过埃尔萨瑟的文章，但有可能与读过这篇文章的人谈过文章的内容。不管怎么说，G. P. 汤姆逊在思想上，已经有了进行电子衍射实验的理论准备了。

正好在这次会议之后，G. P. 汤姆逊从阿伯丁到卡文迪什实验室访问，在那里他看到了氦气中电子的散射实验。在散射时出现了一种令人注意的效应，即在某些特殊方向上散射特别强，这使G. P. 汤姆逊立即联想到托马斯·杨（Thomas Young，1773—1829，英国物理学家）干涉图形里出现的光圈。当时G. P. 汤姆逊认为这就是电子衍射。回到阿伯丁后，他想：“好吧，气体的电子衍射已经做出来了，那么让我们试一下固体吧。”他让研究生瑞德（A. Reid）用明胶纤维制成的极薄的膜来做电子衍射实验。

因为他们一直在做散射实验，所以这项实验研究进展非常顺利。正如G. P. 汤姆逊回忆说：“只要将感应线圈的极性反接，……瑞德几乎立即就得到了明显显示出弥散光圈的照片。”

1927年6月18日的《自然》杂志，登出了G. P.汤姆逊和瑞德的实验报告。