波粒二象性物理实验论文

波粒二象性物理实验论文

意识具有波粒二象性的革命性认识是以著名的单电子双缝实验为可靠的实验基础，以数学家冯·诺依曼对双缝实验整个过程的严谨数学分析而论证出只有意识才能导致波函数坍缩这一重要结论，在此基础上进一步逻辑推导出意识必然具有波粒二象性的全新认识。

单电子双缝实验是量子力学最根本最重要的一个实验，2002年，美国《物理世界》杂志将其评选为物理学十大最出色实验的第一名 [1] ，也可以说它是人类历史上最神奇的一个物理实验。这个小小实验把波粒二象性和量子之谜的诡异性展现得淋漓尽致，极大的冲击了我们的世界观，长期以来困惑了包括爱因斯坦在内的众多物理学家，围绕这个实验现象的解释，至今依然争论不休。物理学家理查德·费恩曼说：“单电子双缝实验包含了量子力学的核心，事实上，它包含着独一无二的奥秘。我们不能通过说明它如何作用来消除这个奥秘．我们只是告诉你，它是怎样起作用的。在告诉你它怎样起作用的同时，我们也将告诉你所有量子力学的基本特色。” [2]

单电子双缝实验是最严格可靠的经验现象，也是最深邃难解的经验现象，它也是唯一的将观察者的意识不得不考虑在内的物理实验，它是哲学思考最可靠的逻辑起点，包含了哲学的几乎所有重大问题和根本奥秘，涉及到实在和反实在（本体论）、先验和经验（认识论）、因果律（薛定谔演化和狄拉克抉择）、自由意志（海森堡抉择）、逻辑论（形式逻辑、辩证逻辑和量子逻辑）、时空本质（二象性时空）以及心物交互（相干叠加性）等几乎全部重大哲学问题，其中甚至暗含了灵魂不朽和终极归宿的神学问题，也是哲学、科学和神学重新获得统一的最关键的起点。甚至也可以这样说， 以单电子双缝实验为哲学思考的阿基米德基点，可以撬动整个宇宙。

关于这个实验可以详细查看以下动画演示，该动画非常形象生动的演示了电子双缝实验的神奇现象。

在电子双缝实验中，当我们将一束电子流经过中间的双缝打到最终的显示屏上，根据经验常识，电子只是类似足球一样的颗粒状的单一微小物体，在日常世界中，假如我们连续的踢出大量足球而经过中间有两道狭缝的墙，那么最终的球网上只会形成两道条纹，绝无可能形成多道干涉条纹。可是，电子双缝实验的结果却与我们的常识经验严重背离，屏幕上最终形成的是只有波才能形成的干涉条纹。

那么会不会是大量电子互相碰撞才造成如此呢？它们如果互相碰撞确实有可能改变电子运动的路径，虽然不一定形成干涉条纹，但还是应该把这种可能性彻底排除掉。于是我们可以改进实验装置， 让电子枪一个一个地先后发射电子，间隔时间可以超过一秒钟 ，然后再看一下实验结果究竟如何。

当一个电子被打过去时，屏幕上只出现一个亮点，更多的电子过去，就有更多的亮点出现。初看起来，这些点杂乱无章，而随着时间的推移，当越来越多的电子被打过去时，大量的电子形成的大量的点逐步组成了只有波才能形成的干涉条纹！

由于电子是一个一个的前后相隔很长时间才发射出去的，那么根据这个可以逻辑推断出单个电子必须是一种广延性的波，同时通过双缝进而自身和自身发生干涉，如此才能形成只有波才能形成的干涉条纹，可是这怎么可能呢？一个电子根本不可能是一个波，因为我们日常观察到的波都是多粒子的集群波动现象，单个的局域小粒子怎么可能是广延的集群性的波？又怎么可能如分身术一样同时通过两道狭缝？这是双缝实验产生的神秘难解的现象之一。

为了解决上面的困惑，我们需要观察电子到底是如何通过双缝的，是不是真的有神奇的“电子分身术”，于是我们在双缝旁边安装了探测器，看看电子到底从哪条缝通过，如何通过的，这个实验被称为“which-way”实验，1998年德国Konstanz大学的Dürr和Rempe完成了该实验。 [3]

实验结果再次超出了人们的想象，当我们去通过探测器观察电子到底如何同时通过双缝时，电子竟然又老老实实地从一个缝隙穿过去，干涉条纹也随之消失！屏幕上出现的是两条经典亮条纹！也就是说， 小小的观察竟然改变了电子的存在特性，使得电子从波动又变成了粒子，观察为什么会有如此的神奇作用？ 这样的实验结果更让我们迷惑不已，这究竟是为什么呢？

单电子双缝实验最初是物理学家费曼在1961年提出的思想实验。由于这个实验需要的缝隙大小在纳米量级，当时的技术条件无法实现。1974年意大利Bologna大学的科学家Merli、Missiroli和Pozzi用“单电子”来实验[4]，他们让单个电子穿过双棱镜，一种和双缝有类似功能的电子光学器件。让电子有间隔地、一个一个发射出去。然后在荧屏上记录电子的位置，最终观察到干涉条纹的出现。

真正实现了费曼提出的单电子双缝实验，是2013年美国和加拿大科学家罗杰·巴赫（Roger Bach）和达米安·波普（ Damian Pope）等人所完成的实验[5]。他们在镀金硅膜上制造了一个宽62纳米，长4微米，缝间距为272纳米的双缝。为了每次遮住一条缝，一个由压电致动器控制的微小遮罩可以在两缝间来回滑动。实验中电子由一个钨灯丝产生，并在600伏电场中被加速，之后校准成电子束。在电子穿过双缝后，将会在一个多通道感光底片上被观测到。在这个实验中，两个狭缝都可以随意机械式地打开和关闭，最重要的是，它具备了一次检测一个电子的功能，该实验的电子源强度很低以至于每秒仅约一个电子被观测到，这保证每次仅单个电子将穿过双缝，经过长达两个多小时的实验，最终实验图像显示的依然是干涉条纹。

从1801年最早的杨氏双缝实验到2013年的单电子双缝实验，跨度达到200年，让我们见证了波粒二象和量子世界的神奇。

双缝实验有力的证明了电子这样的物质粒子也有波动性，但是对物质粒子波动性的理解却经过了长期的激烈争论，德布罗意以及薛定谔等量子物理的开创者们，包括爱因斯坦在内，对波动性的理解都受到了经典物理观念的影响，产生了种种错误，甚至爱因斯坦直到临死之前，都没有接受量子力学对波粒二象的理解。

对双缝实验的第一种解释是纯粒子观点的解释，这种观点认为电子只能是粒子，而不可能是波动。之所以形成干涉条纹是因为不同粒子之间相互作用而导致的，所谓的波动性是由于有大量电子分布于空间而形成一种疏密波，类似于空气振动出现的纵波，由于分子密度疏密相间而形成的一种波动性分布。但是这种看法却与实验现象是明显矛盾的，因为在试验中，我们让电子一个一个地从电子枪发射而出，虽然刚开始无法形成干涉条纹，但只要时间足够长，屏幕上仍将出现明暗相间的干涉条纹。这表明电子的波动性并不是很多电子在空间聚集在一起时才显现出来，单个电子也有波动性。将电子理解成纯粒子，夸大了粒子性的一面，抹杀了波动性的一面，这是一种片面的错误理解。

对双缝实验的第二种解释是纯波动观点的解释，这种观点认为电子并非离散性的小颗粒，而是三维空间连续分布的物质波包，波包大小即粒子大小，波包的群速度即电子的运行速度，因而产生了干涉现象，薛定谔早期就坚持这种观点。但是这种观点也遇到了非常严重的困难，因为经过严格的计算以后，随着时间的推移，单个粒子的物质波包必定要扩散，也就是说，粒子将会越来越胖，这又明显违背实验结果，因为试验中我们观察到的单个电子，都是局域在空间内的很小区域，是颗粒状的。而且如果电子是三维空间的物质波包，那么在电子衍射实验当中，电子波碰到晶体发生衍射，我们在空间中不同方向上将看到电子的一部分，这又和实验是严重矛盾的，我们从来观察到的都是一个一个的完整的电子。将电子理解成纯波动，夸大了波动性的一面，抹杀了粒子性的一面，也是一种片面的错误理解。

1926年，量子论的奠基人之一马克斯·波恩在《碰撞过程的量子力学》 [6] 这篇论文第一次提出波函数的统计诠释，从而化解了这个难题，并且被无数实验所确证，波恩也因此而获得1954年的诺贝尔物理学奖。根据波函数的统计诠释，电子的波动并非真实三维空间的物理波，而是一种抽象的概率波。在数学上，用一个函数表示描写粒子的波，这个函数叫波函数。描述粒子的波函数，实际上刻画的是粒子在空间的概率分布。当电子通过双缝时，概率波发生了自身和自身的相干叠加，此时表现为波动性，进而产生了干涉条纹。当电子到达屏幕时，我们对它进行观测，电子的波函数就发生了瞬时性的随机坍缩，进而呈现为显示屏的上的一个小亮点，此时表现为粒子性。虽然一个电子的出现是随机的，但大量电子却符合概率分布，于是，当大量电子出现的时候，便形成了干涉条纹。

电子从开始发射到通过双缝，再到达最后的屏幕上究竟是如何的行踪呢？彼得·柯文尼教授如此回答："如果认为量子力学给出了最基本的描述，那么询问电子的行踪就没有意义，除非电子已经打到了屏幕上。因此我们只好得出结论说，电子是以某种方式扩散在空间和时间之中，它从两条狭缝中都穿过并且自己与自己发生干涉，直到最后奇迹般地瞬间瓦解在屏幕上某一点处，这地点完全是随机的。因而，我们可以说，电子是处处在，同时又是处处不在。" [7]

电子的处处在，意思是说它在全空间（整个宇宙）都有分布的概率，即便遥远的仙女星系依然有分布概率，只是概率值非常微小。电子的处处不在，意思是说尽管它在全空间都有分布的概率，但是它却没有出现在任何空间位置上（这里的空间是指物理空间），除非对电子的波函数进行观测，促使其坍缩到一个具体的空间位置上，让其显现出来。而电子一旦坍缩显现出来，那么它在全空间范围内的其他空间位置的不同的分布概率值，瞬间全部变为零，即便是遥远的仙女星系的概率分布值也瞬间变为了零。

经典物理中的波动，指的是某一实在的物理量在空间中通过介质的周期性连续传播过程，并且可以产生相干叠加现象，波动的特性由振幅 、频率 、波长等物理量来描述。经典波动弥散性的分布在空间中，一列波通过某地，另一列波同样也能通过某地，两列波在同一地点是可以相干叠加的，波具有可“入”性。经典物理中的粒子，则是一整份地出现在空间中的分立性（离散性）的客体，这种客体具有确定的位置，质量、电荷、动量等，并且在时空中有一条确定的连续性轨道，经典粒子整体性的集中于某个区域空间，一个粒子在某地，它就不能同时在另一地，一地被一粒子所占据，另外的粒子就不能占据，粒子是不可“入”的[8]。粒子运动的特征由动量、质量、密度、粒子的几何尺寸等物理量来描述。在传统的经典物理学看来，波动性和粒子性是完全对立的。一个弥散，一个集中；一个连续，一个分立；一个可叠加，一个不可叠加，二者不可能共存于一个客体中。

电子究竟是什么？它既不是经典粒子，也不是经典波动，但我们可以说它是粒子和波动两重性矛盾的统一，这就是波粒二象性。 电子不是经典的粒子，是因为它没有经典粒子确定的连续性轨道，它在空间中非连续性的跃迁，量子粒子保留了经典粒子的颗粒性（分立性，离散性）。电子不是经典的波动，是因为它并非真实的物理波，而是抽象的概率波，量子波动保留了经典波动的相干叠加性。马根瑙（H . Margenau ）在指出对波粒二象性的一些常见误解后也说道：“电子既不是粒子也不是波动，按照今天最广泛地持有并且同已经建立起来的量子力学理论程式相协调的观点，一个电子是一件抽象的事物，它不再能使用日常经验所熟悉的样子去直觉地理解。” [9] 对波粒二象性，我们要尽量避免使用直观图像的方式去想象，因为任何直观的图像，都是来自于经验性的经典认识，而固守经典认识必定对波粒二象产生曲解，要真正理解波粒二象性，必须彻底抛弃经典物理和经验性认识的观念束缚。

当我们不观察时，电子是一种不确定的量子叠加态，由波函数所描述，并且波函数是全空间的概率性分布，因而是概率波，其实全空间性的波函数正是一个整体性的完整抽象粒子。当我们观察电子的波函数时，全空间性的整个电子波函数随机坍缩成了局域空间上的单一具体粒子。电子的叠加态似乎意味着它可以“同时”在很多地方，处处在，却又处处不在。但是我们却从未经验观察到这种奇怪的量子叠加态，我们看到的任何宏观物体以及自我都是只能在空间的一个位置上，而不可能既在北京，又在上海。

对波粒二象的解释，和我们的日常经验以及形式逻辑的排中律都有严重的冲突。也因此，量子力学的开创者们，包括德布罗意、薛定谔、爱因斯坦在内的物理学家，都难以接受玻尔、海森堡以及波恩等人提出的整个量子理论的解释。爱因斯坦和玻尔还为此争论了几十年，屡战屡败，屡败屡战，是物理学上持续时间最长，争论最激烈也最富有哲学意义的世纪辩论。虽然量子力学的解释众说纷纭，然而实验却一再证明了量子理论的正确性，可是它的基础问题却至今让人困惑不解，难怪玻尔说：“谁不惊异于量子理论，谁就不理解它”。物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）也在康奈尔大学的一个讲座上说道：“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学”。

量子力学逐渐成为了一种计算工具，大多数物理学家们觉得只要理论实用就可以，干吗非要理解它呢？就像鸵鸟一样，将头埋在沙里，不去看它吧，这就是“闭嘴，计算”解释。这种实用主义和工具主义的闭嘴计算解释并不能让我这样喜欢追根问底的人满意，现在我们就要深入的考察波粒二象之谜，这就需要谈到冯诺依曼的一个惊天认识： 意识导致波函数坍缩 。

参考文献：
1.乔治·约翰逊.最美丽的十大物理实验[J]. 物理教学探讨. 2009(18): 24-25.
2.[美]费曼.《费恩曼物理学讲义(第3卷)》[M].上海科学技术出版社.2013
P G, Missiroli G F and Pozzi G On the statistical aspect of electron interference phenomena[J].Am.J. Phys. 1976.44 306–7
4.Dürr S, Nonn T, Rempe G. Fringe Visibility and Which-Way Information in an Atom Interferometer[J]. Physical Review Letters. 1998, 81(26): 5705-5709.
R, Pope D, Liou S. Controlled double-slit electron diffraction[J]. New Journal of Physics. 2013, 15.
,"Zur Quantenmechanik der Stossvorgange",Z. Physik 37,863-867
7.彼得·柯文尼. 《时间之箭-揭开时间最大奥秘之科学旅程》[M]. 湖南科学技术出版社, 2002.
8.赵国求. 波粒二象性的有机统一[J]. 武钢大学学报. 2000(02): 1-6.
9.关洪. 《一代神话:哥本哈根学派》[M].武汉出版社, 2002.

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波粒二象性的实验验证

爱因斯坦的光电效应理论1905年，爱因斯坦对光电效应提出了一个理论，解决了之前光的波动理论所无法解释的这个实验现象。他引入了光子，一个携带光能的量子的概念。在光电效应中，人们观察到将一束光线照射在某些金属上会在电路中产生一定的电流。可以推断是光将金属中的电子打出，使得它们流动。然而，人们同时观察到，对于某些材料，即使一束微弱的蓝光也能产生电流，但是无论多么强的红光都无法在其中引出电流。根据波动理论，光强对应于它所携带的能量，因而强光一定能提供更强的能量将电子击出。然而事实与预期的恰巧相反。爱因斯坦将其解释为量子化效应：金属被光子击出电子，每一个光子都带有一部分能量E，这份能量对应于光的频率ν：E=hν，这里h是普朗克常数（6.626 x 10-34 J s）。光束的颜色决定于光子的频率，而光强则决定于光子的数量。由于量子化效应，每个电子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高频率的光子（蓝光，而非红光）才有能力将电子击出。爱因斯坦因为他的光电效应理论获得了1921年诺贝尔物理学奖。实物粒子的波粒二象性爱因斯坦提出光的粒子性后，路易·维克多·德布罗意做了逆向思考，他在论文中写到：19世纪以来，只注重了光的波动性的研究，而忽略了粒子性的研究，在实物粒子的研究方面，是否犯了相反的错误呢？1924年，他又注意到原子中电子的稳定运动需要引入整数来描写，与物理学中其他涉及整数的现象如干涉和振动简正模式之间的类似性，由此构造了德布罗意假设，提出正如光具有波粒二象性一样，实物粒子也具有波粒二象性。他将这个波长λ和动量p联系为：λ=h/p=h/mv；m：质量，v：频率，h：普朗克常数。这是对爱因斯坦等式的一般化，因为光子的动量为p = E / c（c为真空中的光速），而λ = c / ν。德布罗意的方程三年后通过两个独立的电子散射实验被证实。在贝尔实验室Clinton Joseph Davisson和Lester Halbert Germer以低速电子束射向镍单晶获得电子经单晶衍射，测得电子的波长与德布罗意公式一致。在阿伯丁大学，G.P汤姆孙以高速电子穿过多晶金属箔获得类似X射线在多晶上产生的衍射花纹，确凿证实了电子的波动性；以后又有其他实验观测到氦原子、氢分子以及中子的衍射现象，微观粒子的波动性已被广泛地证实。根据微观粒子波动性发展起来的电子显微镜、电子衍射技术和中子衍射技术已成为探测物质微观结构和晶体结构分析的有力手段。德布罗意于1929年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。汤姆孙和戴维逊因为他们的实验工作共享了1937年诺贝尔物理学奖。

光的波粒二象性是什么意思?

光的波粒二象性简介　　光一直被认为是最小的物质，虽然它是个最特殊的物质，但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上，整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。

　　光学的任务是研究光的本性，光的辐射、传播和接收的规律；光和其他物质的相互作用（如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等）以及光学在科学技术等方面的应用。先熟悉一下有关光的基本知识。

　　光的波粒二象性简单说就是光既具有波动特性，又具有粒子特性

编辑本段光的波动说与微粒说之争笛卡儿提出的两点假说　　在人们对物理光学的研究过程中，光的本性问题和光的颜色问题成为焦点。关于光的本性问题，笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。虽然笛卡儿更强调媒介对光的影响和作用，但他的这两种假说已经为后来的微粒说和波动说的争论埋下了伏笔。
格里马第发现了光的衍射现象　　十七世纪中期，物理光学有了进一步的发展。1655年，意大利波仑亚大学的数学教授格里马第在观测放在光束中的小棍子的影子时，首先发现了光的衍射现象。据此他推想光可能是与水波类似的一种流体。

　　格里马第设计了一个实验：让一束光穿过一个小孔，让这束光穿过小孔后照到暗室里的一个屏幕上。他发现光线通过小孔后的光影明显变宽了。格里马第进行了进一步的实验，他让一束光穿过两个小孔后照到暗室里的屏幕上，这时得到了有明暗条纹的图像。他认为这种现象与水波十分相像，从而得出结论：光是一种能够作波浪式运动的流体，光的不同颜色是波动频率不同的结果。格里马第第一个提出了“光的衍射”这一概念，是光的波动学说最早的倡导者。波义耳提出了物体的颜色光照射在物体上产生的效果　1663年，英国科学家波义耳提出了物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。他第一次记载了肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹。这一发现与格里马第的说法有不谋而合之处，为后来的研究奠定了基础。
胡克提出了“光是以太的一种纵向波”　　不久后，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。
牛顿用微粒说阐述了光的颜色理论　　然而1672年，伟大的牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。

　　1672年2月6日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文《关于光和色的新理论》基本上持以否定的态度。牛顿开始并没有完全否定波动说，也不是微粒说偏执的支持者。但在争论展开以后，牛顿在很多论文中对胡克的波动说进行了反驳。由于此时的牛顿和胡克都没有形成完整的理论，因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。但科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出。
惠更斯提出了波动学说比较完整的理论　　波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。惠更斯早年在天文学、物理学和技术科学等领域做出了重要贡献，并系统的对几何光学进行过研究。1666年，惠更斯应邀来到巴黎科学院以后，并开始了对物理光学的研究。在他担任院士期间，惠更斯曾去英国旅行,并在剑桥会见了牛顿。二人彼此十分欣赏，而且交流了对光的本性的看法，但此时惠更斯的观点更倾向于波动说，因此他和牛顿之间产生了分歧。正是这种分歧激发了惠更斯对物理光学的强烈热情。回到巴黎之后，惠更斯重复了牛顿的光学试验。他仔细的研究了牛顿的光学试验和格里马第实验，认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。因此，他提出了波动学说比较完整的理论。

　　惠更斯认为，光是一种机械波；光波是一种靠物质载体来传播的纵向波，传播它的物质载体是“以太”；波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论，惠更斯证明了光的反射定律和折射定律，也比较好的解释了光的衍射、双折射现象和著名的“牛顿环”实验。如果说这些理论不易理解，惠更斯又举出了一个生活中的例子来反驳微粒说。如果光是由粒子组成的，那么在光的传播过程中各粒子必然互相碰撞，这样一定会导致光的传播方向的改变。而事实并非如此。
牛顿的微粒学说逐步的建立起来　　就在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作《光学》。基于各类实验，在《光学》一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。

　　为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（1704年）《光学》才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。托马斯．杨提出了光的干涉的概念和光的干涉定律　十八世纪末，在德国自然哲学思潮的影响下，人们的思想逐渐解放。英国著名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生了怀疑。根据一些实验事实，杨氏于1800年写成了论文《关于光和声的实验和问题》。在这篇论文中，杨氏把光和声进行类比，因为二者在重叠后都有加强或减弱的现象，他认为光是在以太流中传播的弹性振动，并指出光是以纵波形式传播的。他同时指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。1801年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。同年，杨氏在英国皇家学会的《哲学会刊》上发表论文，分别对“牛顿环”实验和自己的实验进行解释，首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

　　1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。

　　虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。
光的偏振现象和偏振定律的发现　　1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。

　　1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。

　　1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。

　　光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展。

　　面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉戈。
菲涅耳与阿拉戈建立了光波的横向传播理论　　1817年，巴黎科学院悬赏征求关于光的干涉的最佳论文。土木工程师菲涅耳也卷入了波动说与微粒说之间的纷争。在1815年菲涅耳就试图复兴惠更斯的波动说，但他与杨氏没有联系，当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。事实上他的理论与杨氏的理论正好相反。后来阿拉戈告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后，转向了波动说。1819年底，在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。
新的波动学说牢固的建立起来　　1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。

　　至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势。

　　随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一。

　　菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。

　　为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年，斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动。

　　1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后，还有许多科学家潜心致力于对以太的研究。

　　十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。
爱因斯坦因光的波粒二象性获诺贝尔物理学奖　　1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！

　　二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。

　　1905年3月，爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文他认为对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。

　　1921年，爱因斯坦因为"光的波粒二象性"这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

　　1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。
以光的波粒二象性告终　　在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。

　　即：光既是一种波也是一种粒子！

　　光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。

证明光具有波粒二象性的著名实验有哪些？

1803年，杨氏写成了论文《物理光学的实验和计算》。他根据光的干涉定律对光的衍射现象作了进一步的解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。但由于他认为光是一种纵波，所以在理论上遇到了很多麻烦。他的理论受到了英国政治家布鲁厄姆的尖刻的批评，被称作是“不合逻辑的”、“荒谬的”、“毫无价值的”。 虽然杨氏的理论以及后来的辩驳都没有得到足够的重视、甚至遭人毁谤，但他的理论激起了牛顿学派对光学研究的兴趣。 1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。 1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。在进一步研究光的简单折射中的偏振时，他发现光在折射时是部分偏振的。因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为了反对波动说的有利证据。 1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振现象的经验定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说陷入了困境，使物理光学的研究更朝向有利于微粒说的方向发展 面对这种情况，杨氏对光学再次进行了深入的研究，1817年，他放弃了惠更斯的光是一种纵波的说法，提出了光是一种横波的假说，比较成功的解释了光的偏振现象。吸收了一些牛顿派的看法之后，他又建立了新的波动说理论。杨氏把他的新看法写信告诉了牛顿派的阿拉戈。 1817年，巴黎科学院悬赏征求关于光的干涉的最佳论文。土木工程师菲涅耳也卷入了波动说与微粒说之间的纷争。在1815年菲涅耳就试图复兴惠更斯的波动说，但他与杨氏没有联系，当时还不知道杨氏关于衍射的论文，他在自己的论文中提出是各种波的互相干涉使合成波具有显著的强度。事实上他的理论与杨氏的理论正好相反。后来阿拉戈告诉了他杨氏新提出的关于光是一种横波的理论，从此菲涅耳以杨氏理论为基础开始了他的研究。1819年，菲涅耳成功的完成了对由两个平面镜所产生的相干光源进行的光的干涉实验，继杨氏干涉实验之后再次证明了光的波动说。阿拉戈与菲涅耳共同研究一段时间之后，转向了波动说。1819年底，在非涅耳对光的传播方向进行定性实验之后，他与阿拉戈一道建立了光波的横向传播理论。 1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。在他之后，德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射现象进行了成功的解释。 至此，新的波动学说牢固的建立起来了。微粒说开始转向劣势 随着光的波动学说的建立，人们开始为光波寻找载体，以太说又重新活跃起来。一些著名的科学家成为了以太说的代表人物。但人们在寻找以太的过程中遇到了许多困难，于是各种假说纷纷提出，以太成为了十九世纪的众焦点之一。 菲涅耳在研究以太时发现的问题是，横向波的介质应该是一种类固体，而以太如果是一种固体，它又怎么能不干扰天体的自由运转呢。不久以后泊松也发现了一个问题：如果以太是一种类固体，在光的横向振动中必然要有纵向振动，这与新的光波学说相矛盾。 为了解决各种问题，1839年柯西提出了第三种以太说，认为以太是一种消极的可压缩性的介质。他试图以此解决泊松提出的困难。1845年，斯托克斯以石蜡、沥青和胶质进行类比，试图说明有些物质既硬得可以传播横向振动又可以压缩和延展——因此不会影响天体运动。 1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。但此后仍不乏科学家坚持对以太的研究。甚至在法拉第的光的电磁说、麦克斯韦的光的电磁说提出以后，还有许多科学家潜心致力于对以太的研究。 十九世纪中后期，在光的波动说与微粒说的论战中，波动说已经取得了决定性胜利。但人们在为光波寻找载体时所遇到的困难，却预示了波动说所面临的危机。 1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！ 二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说。1921年，爱因斯坦因为"光的波粒二象性"这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。 1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和后来的乔治汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。同时人们也证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。 在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。 光的波动说与微粒说之争从十七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的科学家成为这一论战双方的主辩手。正是他们的努力揭开了遮盖在“光的本质”外面那层扑朔迷离的面纱。 参考：

什么是波粒二象性

简单来说就是，光在运动的时候可以看成是由光子（粒子）组成的，有粒子性，同时它的运动是按波的方式传播的，有波动性。
更科学，更复杂的说法：

波粒二象性

第一个肯定光既有波动性又有微粒性的是爱因斯坦。他认为电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量hv的微粒形式出现，而且在空间运动时，也具有这种微粒形式。爱因斯坦这一光辉思想是在研究辐射的产生和转化时逐步形成的。与此同时，实验物理学家也相对独立地提出了同样的看法。其中有W.H.布拉格和A.H.康普顿(ArthurHollyCompton,1892—1962)。康普顿证明了，光子与电子在相互作用中不但有能量变换，还有一定的动量交换。

1923年，德布罗意把爱因斯坦的波粒二象性推广到微观粒子，提出物质波假说，论证了微观粒子也具有波动性。他的观点不久就得到电子衍射等实验的证实。

波粒二象性是人类对物质世界的认识的又一次飞跃，这一认识为波动力学的发展奠定了基础。

§9.1 爱因斯坦的辐射理论

早在1905年，爱因斯坦在他提出的光量子假说中，就隐含了波动性与粒子性是光的两种表现形式的思想。他分析了从牛顿和惠更斯以来，波动说和微粒说之间的长期争论，指出麦克斯韦电磁波理论的局限性，审查了普朗克处理黑体辐射的思路，总结了光和物质相互作用有关的各种现象，认为光在传播过程和与物质相互作用的过程中，能量不是分散的，而是一份一份地以能量子的形式出现的。

1909年1月，爱因斯坦再次撰文讨论辐射问题，9月在萨尔茨堡举行的第81届德国物理学家和医学家会议上作了题为：《论我们关于辐射本质和组成的观点的发展》的演讲。他利用能量涨落的概念，考察一个挂在空腔中的完全反射性的镜子的运动，空腔中充有温度为T的热辐射。如果镜子是以一个非零的速度运动，则从它的正面反射出去的具有给定频率v的辐射要比从它的背面反射出去的多一些；因此镜子的运动将会受到阻尼，除非它从辐射涨落获得新的动量。爱因斯坦利用普朗克的能量分布公式，推导出体积V中频率在v→v+dv，之间的那一部分黑体辐射所具有的能量均方涨落为

接着，爱因斯坦对上式两项分别作了说明。前一项正是能量子的涨落，它是以hν作为基数的。后一项具有从麦克斯韦理论求出的电磁场涨落的形式。前者代表粒子性，后者代表波动性。爱因斯宣称：“这些考虑……表明辐射的空间分布的涨落和辐射压的涨落也表现得好象辐射是由具有上述大小的量子所构成的一样。”他强调指出：“现代辐射理论（按：指麦克斯韦的光的波动理论）与这个结果并不一致。”“如果（第一项）单独存在，它就会导致（所期望的）涨落，这种涨落发生在辐射是由独立运动的、具有能量hν的类点量子组成的情况下”。爱因斯坦用“类点量子”一词表明他已把光量子当作粒子来看待。爱因斯坦虽然还没有形成完整的辐射理论，但他已经明确到，遵循普朗克能量分布公式的辐射，同时具有粒子和波动的特性。

爱因斯坦在上述两篇论文中，对辐射理论的状况表示了如下的见解：

“我早已打算表明，必须放弃辐射理论现有的基础”；“我认为，理论物理学发展的下一阶段将给我们带来一个光的理论，这个理论可以解释为波动理论与发射理论的熔合；”“不要把波动结构和量子结构……看成是互不相容的。”

爱因斯坦在这里预见到了将有一种新的理论使波动性和微粒性熔合于一体，虽然十几年后，当新的理论真正出现时，他却反而不能接受。关于这个问题，请读者参看下一章。

1916年爱因斯坦再次回到辐射问题上来，发表了《关于辐射的量子理论》一文，这篇论文总结了量子论的成果，指出旧量子论的主要缺陷，并运用统计方法，又一次论证了辐射的量子特性。

他考虑的基本点是，分子的分立能态的稳定分布是靠分子与辐射不断进行能量交换来维持的。他假设能量交换的过程，即分子跃迁的过程有两种基本方式，一种叫自发辐射，一种叫受激辐射。根据这两种方式发生的几率，他推导出玻尔的频率定则和普朗克的能量分布公式。这样他就把前一阶段量子论的各项成果，统一在一个逻辑完备的整体之中。值得特别指出的是，爱因斯坦的受激辐射理论，为50年后激光的发展奠定了理论基础。

爱因斯坦在这篇论文中，认为分子与辐射在相互作用的过程中，不仅有能量转移，也同时会发生动量转移。他假设在辐射束传播的方向上，

了大小为hv/c的动量，这一动量具有确定的方向。他这样写道②：“看来，只有当我们把那些基元过程看作是完全有方向的过程，我们才能够得到一个贯彻一致的理论”。“因为能量和冲量总是最紧密地联系在一起”，所以“应当把那个小的作用（指冲量交换）和辐射所引起的明显的能量转移完全同等看待。”

1921年，德拜在一次演讲中讨论到爱因斯坦的量子辐射理论。作为一个例题，他计算了光量子和电子相互碰撞的情况，结果显示光在碰撞后波长变长了。当时他曾建议他的同事舒勒(er)做一个X射线实验来检验波长是否真有改变。可惜舒勒没有及时做这个实验，德拜也就暂时放下这项研究。就在这段时间里，康普顿却一直在为X射线散射后波长变长的实验结果探求理论解释。在介绍康普顿的工作之前，还应当提到另一桩与波粒二象性有关的事件，这就是W.H.布拉格和巴克拉()之间发生的关于X射线本性的争论。

§9.2 X射线本性之争

X射线的波动性是1912年德国人劳厄用晶体衍射实验发现的。在此之前，人们对X射线的本性众说纷纭。伦琴倾向于X射线可能是以太中的某种纵波，斯托克斯认为X射线可能是横向的以太脉冲。由于X射线可以使气体分子电离，J.J.汤姆生也认为是一种脉冲波。

X射线是波还是粒子？是纵波还是横波？最有力的判据是干涉和衍射这一类现象到底是否存在。1899年哈加(Haga)和温德(Wind)用一个制作精良的三角形缝隙，放在X射线管面前，观察X射线在缝隙边缘是否形成衍射条纹。他们采用三角形缝隙的原因，一方面是出于无法预先知道产生衍射的条件，另一方面是因为在顶点附近便于测定像的展宽。他们从X射线的照片判断，如果X射线是波，其波长只能小于10-9厘米。这个实验后来经瓦尔特(Walter)和泡尔(Pohl)改进，得到的照片似乎有微弱的衍射图象。直到1912年，有人用光度计测量这一照片的光度分布，才看到真正的衍射现象。索末菲据此计算出X射线的有效波长大约为4×10-9厘米。

X射线还有一种效应颇引人注目。当它照射到物质上时，会产生二次辐射。这一效应是1897年由塞格纳克(Sagnac)发现的。塞格纳克注意到，这种二次辐射是漫反射，比入射的X射线更容易吸收。这一发现为以后研究X射线的性质作了准备。1906年巴克拉在这个基础上判定X射线具有偏振性。巴克拉的实验原理如图9-1。从X射线管发出的X射线以45°角辐照在散射物A上，从A发出的二次辐射又以45°角投向散射物B，再从垂直于二次辐射的各个方向观察三次辐射，发现强度有很大变化。沿着既垂直于入射射线又垂直于二次辐射的方向强度最弱。由此巴克拉得出了X射线具有偏振性的结论。

■图9-1巴克拉X射线二次辐射实验原理

但是偏振性还不足以判定X射线是波还是粒子。因为粒子也能解释这一现象，只要假设这种粒子具有旋转性就可以了。果然在1907—8年间一场关于X射线是波还是粒子的争论在巴克拉和布拉格之间展开了。布拉格根据γ射线能使原子电离，在电场和磁场中不受偏转以及穿透力极强等事实主张γ射线是由中性偶——电子和正电荷组成。后来他把X射线也一样看待，解释了已知的各种X射线现象。巴克拉则坚持X射线的波动性。两人各持己见，在科学期刊上展开了辩论，双方都有一些实验事实支持。这场争论虽然没有得出明确结论，但还是给科学界留下了深刻印象。

1912年劳厄发现X射线衍射，对波动说提供了最有力的证据。布拉格这时已不再坚持他的中性偶假说。不过，他总是直觉地认为，就象他自己说的那样，似乎问题“不在于（微粒和波动）哪一种理论对，而是要找到一种理论，能够将这两方面包蓄并容。”①布拉格的思想对后来的德布罗意有一定影响。

§9.3 康普顿效应

在1923年5月的《物理评论》上，A.H.康普顿以《X射线受轻元素散射的量子理论》为题，发表了他所发现的效应，并用光量子假说作出解释。他写道②：

“从量子论的观点看，可以假设：任一特殊的X射线量子不是被辐射器中所有电子散射，而是把它的全部能量耗于某个特殊的电子，这电子转过来又将射线向某一特殊的方向散射，这个方向与入射束成某个角度。辐射量子路径的弯折引起动量发生变化。结果，散射电子以一等于X射线动量变化的动量反冲。散射射线的能量等于入射射线的能量减去散射电子反冲的动能。由于散射射线应是一完整的量子，其频率也将和能量同比例地减小。因此，根据量子理论，我们可以期待散射射线的波长比入射射线大”，而“散射辐射的强度在原始X射线的前进方向要比反方向大，正如实验测得的那样。”

康普顿用图9-2解释射线方向和强度的分布，根据能量守恒和动量守恒，考虑到相对论效应，得散射波长为：

Δλ为入射波长λ0与散射波长λθ之差，h为普朗克常数，c为光速，m为电子的静止质量，θ为散射角。

■图9-2康普顿理论用图

这一简单的推理对于现代物理学家来说早已成为普通常识，可是，康普顿却是得来不易的。这类现象的研究历经了一、二十年、才在1923年由康普顿得出正确结果，而康普顿自己也走了5年的弯路，这段历史从一个侧面说明了现代物理学产生和发展的不平坦历程。

从(9-1)式可知，波长的改变决定于θ，与λ0无关，即对于某一角度，波长改变的绝对值是一定的。入射射线的波长越小，波长变化的相对值就越大。所以，康普顿效应对γ射线要比X射线显著。历史正是这样，早在1904年，英国物理学家伊夫()就在研究γ射线的吸收和散射性质时，首先发现了康普顿效应的迹象。他的装置如图9-3。图中辐射物和吸收物实际上是铁板铝板之类的材料，镭管发出γ射线，经散射物散射后投向静电计。在入射射线或散射射线的途中插一吸收物以检验其穿透力。伊夫发现，散射后的射线往往比入射射线要“软”些。

后来，γ射线的散射问题经过多人研究，英国的弗罗兰斯(ce)在1910年获得了明确结论，证明散射后的二次射线决定于散射角度，与散射物的材料无关，而且散射角越大，吸收系数也越大。所谓射线变软，实际上就是射线的波长变长，当时尚未判明γ射线的本质，只好根据实验现象来表示。

■图9-3伊夫(1904年)的装置

1913年，麦克基尔大学的格雷（）又重做γ射线实验，证实了弗罗兰斯的结论并进一步精确测量了射线强度。他发现：“单色的γ射线被散射后，性质会有所变化。散射角越大，散射射线就越软。”

实验事实明确地摆在物理学家面前，可就是找不到正确的解释。

1919年康普顿也接触到γ散射问题。他以精确的手段测定了γ射线的波长，确定了散射后波长变长的事实。后来，他又从γ射线散射转移到X射线散射。图9-4是康普顿自制的X射线分光计，钼的Kα线经石墨晶体散射后，用游离室进行测量不同方位的散射强度。图9-5是康谱顿发表的部分曲线。从图中可以看出，X射线散射曲线明显地有两个峰值，其中一个波长等于原始射线的波长（不变线），另一个波长变长（变线），变线对不变线的偏离随散射角变化，散射角越大，偏离也越大。

■图9-4康普顿的X射线分光计

遗憾的是，康普顿为了解释这一现象，也和其他人一样，走了不少弯路。

他开始是用J.J.汤姆生的电子散射理论解释γ射线和X射线的散射，后来又提出荧光辐射理论和大电子模型。他设想电子具有一定的大小和形状，认为只要“电子的电荷分布区域的半径与γ射线的波长大小可比拟”就可以“在经典电动力学的基础上解释高频辐射的散射。”他为了解释荧光辐射的频率变低，曾试图用多普勒效应进行计算，在计算中，他把X射线对散射物质中电子的作用看成是一个量子过程。开始他

个条件，在碰撞中既要遵守能量守恒，又要遵守动量守恒，从而，导致了1923年5月在《物理评论》上发表了那篇有历史意义的文献。

■图9-5康普顿发表的部分曲线

接着，德拜也发表了早已准备好的论文。他们两人的论文引起了强烈反响。然而，这一发现并没有立即被科学界普遍承认，一场激烈的争论迅即在康普顿和他的领导人之间展开。这件事发生在1922年以后，一份内有康普顿关于X射线散射的报告在交付出版之前，先要经美国研究委员会的物理科学部所属的一个委员会讨论。他是这个委员会的成员。可是，这个委员会的主席杜安()却极力反对把康普顿的工作写进去，认为实验结果不可靠。因为杜安的实验室也在做同样的实验，却得不到同样的结果。

康普顿的学生，从中国赴美留学的吴有训对康普顿效应的进一步研究和检验有很大贡献，除了针对杜安的否定作了许多有说服力的实验外，还证实了康普顿效应的普遍性。他测试了多种元素对X射线的散射曲线，结果都满足康普顿的量子散射公式(9-1)。图9-6就是康普顿和吴

有训1924年发表的曲线，论文题目是：《被轻元素散射时钼Kα线的波长》。①他们写道：“这张图的重要点在于：从各种材料所得之谱在性质上几乎完全一致。每种情况，不变线P都出现在与荧光M0Kα线（钼的Kα谱线）相同之处，而变线的峰值，则在允许的实验误差范围内，出现在上述的波长变化量子公式所预计的位置M上。”

■图9-5康普顿发表的部分曲线

■图9-6康普顿和吴有训1924年发表的曲线

吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了x射线散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化的曲线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。

爱因斯坦在肯定康普顿效应中起了特别重要的作用。前面已经提到，1916年爱因斯坦进一步发展了光量子理论。根据他的建议，玻特和盖革(Geiger)也曾试图用实验检验经典理论和光量子理论谁对谁非，但没有成功。当1923年爱因斯坦获知康普顿实验的结果之后，他热忱地宣传和赞扬康普顿的实验，多次在会议和报刊上谈到它的重要意义。

爱因斯坦还提醒物理学者注意：不要仅仅看到光的粒子性，康普顿在实验中正是依靠了X射线的波动性测量其波长。他在1924年4月20日的《柏林日报》副刊上发表题为《康普顿实验》的短文，有这样一句话：“……最最重要的问题，是要考虑把投射体的性质赋予光的粒子或光量子，究竟还应当走多远。”

正是由于爱因斯坦等人的努力，光的波粒二象性迅速获得了广泛的承认。

§9.4 德布罗意假说

作为量子力学的前奏，路易斯·德布罗意的物质波理论有着特殊的重要性。

德布罗意是法国物理学家，原来学的是历史，对科学也很有兴趣。第一次世界大战期间，在军队服役，从事无线电工作。平时爱读科学著作，特别是彭加勒、洛仑兹和朗之万的著作。后来对普朗克、爱因斯坦和玻尔的工作发生了兴趣，乃转而研究物理学。退伍后跟随朗之万攻读物理学博士学位。他的兄长莫里斯·德布罗意是一位研究X射线的专家，路易斯曾随莫里斯一道研究X射线，两人经常讨论有关的理论问题。莫里斯曾在1911年第一届索尔威会议上担任秘书，负责整理文件。这次会议的主题是关于辐射和量子论。会议文件对路易斯有很大启发。莫里斯和另一位X射线专家W.布拉格联系密切。布拉格曾主张过X射线的粒子性。这个观点对莫里斯很有影响，所以他经常跟弟弟讨论波和粒子的关系。这些条件促使德布罗意深入思考波粒二象性的问题。

法国物理学家布里渊(uin)在1919—1922年间发表过一系列论文，提出了一种能解释玻尔定态轨道原子模型的理论。他设想原子核周围的“以太”会因电子的运动激发一种波，这种波互相干涉，只有在电子轨道半径适当时才能形成环绕原子核的驻波，因而轨道半径是量子化的。这一见解被德布罗意吸收了，他把以太的概念去掉，把以太的波动性直接赋予电子本身，对原子理论进行深入探讨。

1923年9月—10月间，德布罗意连续在《法国科学院通报》上发表了三篇有关波和量子的论文。第一篇题目是《辐射——波与量子》，提出实物粒子也有波粒二象性，认为与运动粒子相应的还有一正弦波，两者总保持相同的位相。后来他把这种假想的非物质波称为相波。他考虑一个静质量为m0的运动粒子的相对论效应，把相应的内在能量m0c2视为一种频率为ν0的简单周期性现象。他把相波概念应用到以闭合轨道绕核运动的电子，推出了玻尔量子化条件。在第三篇题为《量子气体运动理论以及费马原理》的论文中，他进一步提出，“只有满足位相波谐振，才是稳定的轨道。”在第二年的博士论文中，他更明确地写下了：“谐振条件是l=nλ，即电子轨道的周长是位相波波长的整数倍。”

在第二篇题为《光学——光量子、衍射和干涉》的论文中，德布罗意提出如下设想：“在一定情形中，任一运动质点能够被衍射。穿过一个相当小的开孔的电子群会表现出衍射现象。正是在这一方面，有可能寻得我们观点的实验验证。”

在这里要说明两点：第一点，德布罗意并没有明确提出物质波这一概念，他只是用位相波或相波的概念，认为这是一种假想的非物质波。可是究竟是一种什么波呢？在他的博士论文结尾处，他特别声明：“我特意将相波和周期现象说得比较含糊，就象光量子的定义一样，可以说只是一种解释，因此最好将这一理论看成是物理内容尚未说清楚的一种表达方式，而不能看成是最后定论的学说。”物质波是在薛定谔方程建立以后，在诠释波函数的物理意义时才由薛定谔提出的。第二点，德布罗意并没有明确提出波长λ和动量p之间的关系式：λ=h/P(h即Planck常数)，只是后来人们发觉这一关系在他的论文中已经隐含了，就把这一关系称为德布罗意公式。

德布罗意的博士论文得到了答辩委员会的高度评价，认为很有独创精神，但是人们总认为他的想法过于玄妙，没有认真地加以对待。例如：在答辩会上，有人提问有什么可以验证这一新的观念。德布罗意答道：“通过电子在晶体上的衍射实验，应当有可能观察到这种假定的波动的效应。”在他兄长的实验室中有一位实验物理学家道威利尔（Dauvillier）曾试图用阴极射线管做这样的实验，试了一试，没有成功，就放弃了。后来分析，可能是电子的速度不够大，当作靶子的云母晶体吸收了空中游离的电荷，如果实验者认真做下去，肯定会做出结果来的。

德布罗意的论文发表后，当时并没有多大反应。后来引起人们注意是由于爱因斯坦的支持。朗之万曾将德布罗意的论文寄了一份给爱因斯坦，爱因斯坦看到后非常高兴。他没有想到，自己创立的有关光的波粒二象性观念，在德布罗意手里发展成如此丰富的内容，竟扩展到了运动粒子。当时爱因斯坦正在撰写有关量子统计的论文，于是就在其中加了一段介绍德布罗意工作的内容。他写道：“一个物质粒子或物质粒子系可以怎样用一个波场相对应，德布罗意先生已在一篇很值得注意的论文中指出了。”

这样一来，德布罗意的工作立即获得大家注意。

§9.5 物质波理论的实验验证

上一节讲到，德布罗意曾设想，晶体对电子束的衍射实验，有可能观察到电子束的波动性。人们希望能够实现这一预见。耐人寻味的是，正在这个时候，有两个令人迷惑不解的实验结果也在等待理论上作出正确的解释。这两个实验就是下面要讲到的冉绍尔(er)的电子-原子碰撞实验和戴维森(on)的电子散射实验。

1913年，德国物理学家冉绍尔发展了一种研究电子运动的实验方法，人称冉绍尔圆环法。用这种方法可以高度精确地确定慢电子的速度和能量。粒子间相互碰撞的有效截面概念就是冉绍尔首先提出来的。第一次世界大战后，冉绍尔继续用他的圆环法进行慢速电子与各种气体原子弹性碰撞的实验研究。1920年，他在题为：《气体分子对慢电子的截面》一文中报道了他发现氩气有特殊行为。

实验装置如图9-7所示。

冉绍尔在腔室中分别充以各种不同的气体，例如氢、氦、氮和氩。他经过多次测量，发现一般气体的截面“随电子速度减小均趋于常值，唯独氩的截面变得特别小”。由氩的这一反常行为，冉绍尔得出的结论是：“在这个现象中人们观察到最慢的电子对氩原子是自由渗透的。”

图9-8是冉绍尔综合多人实验结果而作出的惰性气体Xe、Kr、Ar对电子的散射截面随电子速度变化的曲线，图中横坐标是与电子速度成正比的加速电压平方根值，纵坐标是散射截面Q，用原子单位，其中α0为玻尔原子半径。三种惰性气体的曲线具有大体相同的形状。约在电子能量为10eV时，Q达极大值，而后开始下降；当电子能量逐渐减小到1eV左右时，Q又出现极小值；能量再减小，Q值再度上升。事实确凿地证明，低能电子与原子的弹性碰撞是无法用经典理论解释的。

■图9-7冉绍尔圆环法

■9-8冉绍尔的实验结果

这就是当年令人不解的冉绍尔效应。

戴维森的电子散射实验比冉绍尔的电子碰撞实验更早得到奇特的结果。戴维森是美国西部电气公司工程部（即后来的贝尔电话实验室）的研究员，从事热电子发射和二次电子发射的研究。1921年，他和助手孔斯曼(Kunsman)在用电子束轰击镍靶时，发现从镍靶反射回来的二次电子有奇异的角度分布，其分布曲线如图9-9，出现了两个极大值。戴维森没有放过这一现象，反复试验，并撰文在1921年的《科学》(Science)杂志上进行了讨论①。他当时的看法是认为极大值的出现可能是电子壳层的象征，这一研究也许可以找到探测原子结构的又一途径。

■图9-9戴维森(1921年)发表的电子散射曲线

这件事引起了德国著名物理学家玻恩()的注意，他让一名叫洪德(，后来是著名光谱学家)的研究生，根据戴维森的电子壳层假设重新计算电子散射曲线的极大极小值。在一次讨论班上洪德作了汇报，引起另一名研究生埃尔萨塞(er)的兴趣。埃尔萨塞的思想特别活跃，非常关心物理学各个领域的新进展，当他得知爱因斯坦和玻色（Bose）新近发表了量子统计理论，就想找到爱因斯坦的文章来阅读。爱因斯坦在文章中特别提到了德布罗意的物质波假说，使埃尔萨塞获得很大启发。不久，埃尔萨塞又读到了德布罗意给玻恩寄存来的论文。他的思想突然产生了一个飞跃，会不会戴维森和孔斯曼的极大极小值，就是电子波动性造成的？

他迅即按德布罗意公式用计算尺估算了最大值所需的电子能量，发现数量级正确。几个星期之后，他写了一篇通讯给德文《自然科学》杂志，题为《关于自由电子的量子力学的说明》①。在这篇短文中，他特别提到用波动性的假说不但可以解释戴维森和孔斯曼的实验，还可以解释冉绍尔效应，在文章最后，他申明要取得定量验证，有待于他自己正在准备的进一步实验。他花了三个月的时间考虑实验方案，终因技术力量不足而放弃。

戴维森从1921年起就没有间断电子散射实验，一直在研究电子轰击镍靶时出现的反常行为。他仍沿着电子壳层的方向进行研究，没有注意埃尔萨塞的论文。1925年，一次偶然的事故使他的工作获得了戏剧性的进展。有一天，他的助手革末(Germer)正准备给实验用的管子加热去气，真空系统的炭阱瓶突然破裂了，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，整个管子往往报废，这次戴维森决定采取修复的办法，在真空和氢气中加热，给阴极去气。经过两个月的折腾，又重新开始了正式试验。在这中间，奇迹出现了。1925年5月初，结果还和1921年所得差不多，可是5月中曲线发生特殊变化，出现了好几处尖锐的峰值，如图9-10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。经公司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。他们断定散射曲线反常的原因就在于原子重新排列成晶体阵列。

■图9-10偶然事件(1925年)前后的对比

这一结论促使戴维森和革末修改他们的实验计划。既然小的晶面排列很乱，无法进行系统的研究，他们就作了一块大的单晶镍，并切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。有趣的是，他们为熟悉晶体结构做了很多X射线衍射实验，拍摄了很多X射线衍射照片，可就是没有将X射线衍射和他们正从事的电子衍射联系起来。他们设计了很精巧的实验装置，镍靶可沿入射束的轴线转360°，电子散射后的收集器也可以取不同角度，显然他们的目标已从探索原子结构，转向探索晶体结构。1926年继续做电子散射实验，然而结果并不理想，总得不到偶然事件之后的那种曲线。

这时正值英国科学促进会在牛津开会。戴维森参加了会议。在1926年8月10日的会议上，他听到了著名的德国物理学家玻恩讲到，“截维森和康斯曼……从金属表面反射的实验”是德布罗意波动理论所预言的电子衍射的“证据”。戴维森没有想到自己三年前的实验竟有这样重要的意义。

会议之后，戴维森找到玻恩和其他一些著名的物理学家，让他们看新近得到的单晶散射曲线，跟他们进行了热烈的讨论。玻恩建议戴维森仔细研究薛定谔有关波动力学的论文。这次讨论对戴维森的工作有决定性的影响。回到纽约后，他重新制定了研究方案。有了明确的探索目标，工作进展相当迅速。这时，戴维森已经自觉接受波动理论的指导，有效地发挥自己的技术专长。戴维森和革末的实验装置极其精巧，整套装置仅长5英寸，高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气