1924年,一個法國貴族提出了一個瘋狂的想法。
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德布羅意
他叫德布羅意。
他說:電子,這種公認(rèn)的“粒子”,應(yīng)該也有波動性。
光既是波又是粒子。
那電子呢?憑什么不能既是粒子又是波?
這個想法在當(dāng)時聽起來近乎荒謬。
電子自1897年被發(fā)現(xiàn)以來,一直被當(dāng)作有確定軌跡的微小粒子。
德布羅意卻大膽地預(yù)言:一個運動的電子,行為應(yīng)該像波。
波長由公式λ = h/p給出——動量越大,波長越短。
他甚至預(yù)言了驗證方法:用電子束照射晶體,應(yīng)該能看到類似X射線的衍射圖案。
三年后,實驗物理學(xué)家們用令人信服的證據(jù),回應(yīng)了這一跨越時代的呼喚。
一場意外,一次接力
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電子衍射
驗證之路幾乎同時從大西洋兩岸展開。
美國:一次爆炸,催生了奇跡
貝爾實驗室的戴維孫和革末,原本在做另一項實驗。
1925年,一次意外爆炸讓他們的鎳晶體樣本氧化了。
為了去除氧化層,他們長時間加熱——結(jié)果,多晶鎳意外變成了完美的單晶鎳。
當(dāng)他們再次用電子束轟擊這塊單晶時,奇跡出現(xiàn)了。
散射電子的強(qiáng)度不再單調(diào)下降,而是在某些特定角度出現(xiàn)尖銳的峰值。
圖案跟X射線在晶體上的衍射圖樣驚人相似。
他們一算,發(fā)現(xiàn)峰值出現(xiàn)的角度恰好滿足布拉格公式。
用這個公式反推出的波長,跟德布羅意公式算出來的理論值完美吻合。
1927年,他們發(fā)表了這一里程碑式的成果。
英國:父與子的科學(xué)接力
在英國,J.J.湯姆孫的兒子G.P.湯姆孫用了另一種方法。
他將高速電子穿過極薄的多晶金屬箔,直接看透射后的圖案。
結(jié)果,照相底片上出現(xiàn)了明暗相間的同心圓環(huán)。
這正是多晶衍射的典型特征。
科學(xué)史上的一段佳話:
父親因證實電子是粒子,獲1906年諾貝爾獎。
兒子因證實電子是波,獲1937年諾貝爾獎。
戴維孫與G.P.湯姆孫共享了這份榮譽(yù)。
實驗告訴了我們什么?
這些實驗的偉大之處,不僅在于驗證了一個公式,更在于它們從根本上重塑了人類對物質(zhì)本質(zhì)的理解。
第一,德布羅意關(guān)系被證實。
實驗測出的波長,與用λ = h/p算出的值一致。
動量p和波長λ,通過普朗克常數(shù)h緊緊連在了一起。
第二,電子有波粒二象性。
電子在實驗里展現(xiàn)出雙重人格。
在發(fā)射和被探測時,它是一個個獨立的粒子。
在傳播過程中,它卻像波一樣,能同時通過晶格的所有縫隙,跟自己發(fā)生干涉。
量子力學(xué)先驅(qū)們說:
“電子既不是經(jīng)典的粒子,也不是經(jīng)典的波。”
或者說,“它既是粒子,也是波。”
第三,波函數(shù)有了概率詮釋。
當(dāng)電子流極其微弱,弱到幾乎是一個一個單獨通過時,長時間累積仍然會出現(xiàn)完整的衍射條紋。
這說明波動性不是大量電子的集體效應(yīng),而是每個電子固有的屬性。
屏幕上某個點出現(xiàn)的電子多,那個點的波就強(qiáng)。
這后來被玻恩發(fā)展為波函數(shù)的概率詮釋:波的強(qiáng)度,代表粒子出現(xiàn)的概率。
深遠(yuǎn)回響
電子衍射實驗的成功,像一把鑰匙,打開了量子力學(xué)宮殿的大門。
薛定諤受到德布羅意物質(zhì)波思想的啟發(fā),在1926年創(chuàng)立了波動力學(xué)。
他找到了描述這種物質(zhì)波的基本方程——薛定諤方程。
此后,物理學(xué)家們陸續(xù)用質(zhì)子、中子、原子乃至大分子進(jìn)行實驗,無一例外都觀察到了衍射現(xiàn)象。
波粒二象性,是一切物質(zhì)的普遍屬性。
今天,電子衍射技術(shù)本身也成了強(qiáng)大的工具。
電子顯微鏡利用電子的波長遠(yuǎn)小于可見光的特點,實現(xiàn)了遠(yuǎn)超光學(xué)顯微鏡的分辨率。
讓我們能直接窺見材料的原子世界。
一束電子穿過晶體,竟然變成了波。
德布羅意的大膽猜想與實驗物理學(xué)家的精巧驗證,共同完成了這場偉大的科學(xué)革命。
它告訴我們:在微觀世界的門口,我們必須放下直觀的經(jīng)典圖景。
接受一種更深刻、更抽象,卻也更美妙的現(xiàn)實描述。
一個貴族用“猜”打開了量子世界的大門。一次爆炸“意外”證實了他的猜想。
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互動思考
你覺得德布羅意的成功更多靠什么?
A. 天才的直覺
B. 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)
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