五
1921年，与法国隔大西洋相望的美国，著名的贝尔实验室，实验物理学家戴维逊(Davisson)和他的助手康斯曼(Kunsman)在做用电子轰击镍靶的实验 (图5.4) 。开始不久，就发现镍靶上散射出来的“二次电子”竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量，显然是与金属靶发生了弹性碰撞，但不解的是“二次电子”在某个角度上具有极大值，而按“道理”（电子是一个粒）应当是平滑的曲线。他们仿照卢瑟福α散射实验试图用原子核对电子的静电作用力解释这一曲线。
图5.4 戴维逊电子散射实验
实验一直持续到1923年，一无所获。康斯曼离开了实验室，戴维逊自己也歇菜了一年。1924年，戴维逊鬼使神差地又回到了实验室，这次助手换成了革末(Germer)。实验室欺生呐（回忆一下，鲍姆巴赫一离开卢瑟福实验室就发生了火灾），试验的管子发生了爆炸，涌进来的空气让镍靶表面形成了一层氧化物——失效啦。戴维逊说节约闹革命，高温加热去掉氧化层，废物利用呗。手忙脚乱做完这一切，把实验装置重新安好恢复实验。这时，更大的异象出现了——散射电子的角分布已经完全改变，实验曲线上出现了好几处尖锐的峰值。切开管子就找到了原因，原来镍靶经过了高温加热，原来无数的小晶块就融成了大约十块的大晶块。问题是，这和实验结果是什么样的因果关系关系呢？
时光荏苒，又到了1926年，物理学正在进行着一场惊天动地的大革命——允许我们远离革命中心的实验物理学家麻木点。这年夏天，戴维逊陪夫人回英国探亲，来到了革命的中心（尽管偏点），并且机缘巧合有幸参加了“英国科学促进会”在牛津召开的一次会议。在会上碰到了从德国哥廷根过来参会的玻恩，就顺便把自己的实验情况介绍了。玻恩听罢是扼腕惊呼：你傻呀！这一切早被我的学生预料到啦！
原来早在前几年，戴维逊1921年实验的报告就引起了玻恩的注意，让自己的学生洪德（Hund）进行研究。在一次“物质结构讨论会”（“玻恩幼儿园”）上，洪德)汇报了自己的研究成果，从而引起了另一个21岁的学生埃尔萨瑟(Elsasser)的注意。他马上就到图书馆去借阅德布罗意的论文，并从玻恩那看到了德布罗意博士论文的副本。1925年，埃尔萨瑟发表了一篇题为《自由电子的量子力学说明》，指出用德布罗意的“道理”来解释解释戴维逊和康斯曼的散射曲线，一切均在预料之中，不仅会出现最大值，还会出现最小值，并且可以预测，如果用大单晶来做这个实验，效果会更加明显。因为这个“道理”就是——电子是一个波！爱因斯坦受托审阅了这篇文章，以后他对埃尔萨瑟说：“年轻人，你正坐在一座金矿上。”
既然是波，我们就要了解波的一个禀性——干涉效应。（图5.5）我们知道波总是起伏跌宕的，一列波会升到最高的波峰，又会跌到最低的波谷。两列波相遇，如果二者振荡的步伐一致（如图左），你升到波峰我也升到波峰，你跌到波谷我也跌到波谷，就叫做“相位相同”或“同相”，就会产生同相倍加的干涉效应，倍加的波浪线振幅会加大。但如果两列波步伐刚好相反（如图右），你到波峰我正自在波谷，我到波峰你又正好跌到波谷，就叫做“相位相反”或“异相”，就会产生异相抵消的效应，抵消后的波浪线就成了一条直线，振幅为0。
图5.5 波的干涉效应
好了，我们再回到戴维逊的实验。当电子照射到金属表面时，每个金属原子都会对电子产生散射效应，如果金属是晶体结构的，这种结构的原子排列是周期性的规则排列，就使散射的电子在角度分布上更有规律。同时记住喽，电子是一个波，那么散射的电子之间会发生干涉效应，在某个散射角度上，它们同相干涉的概率高，就会加强为最大值，在某个角度上异相干涉的概率高，就会相互抵消出最小值。所以就好理解，为什么大晶体比小晶体实验效果更明显了。My God！原来就这么简单！
天呐！原来是“正坐在一座金矿上”而浑然不觉！这下戴维逊和革末可就来劲了。他们完善装置继续实验，得到的是一个又一个的惊喜！1927 年12月在《物理评论》上戴维逊发表了一篇论文，告诉世人电子晶体散射实验的衍射波长与德布罗意物质波的假设完全一致。不此如此，当电子束透射过薄金属箔后，再照射到背景屏上，同样显示出的衍射条纹，和 X 射线通过晶体粉末时所发生的衍射条纹非常相似，并且波长和按德布罗意所预言的物质波的波长完全符合。
如果说戴维逊是瞎猫碰上了死耗子，英国实验物理学家，伟大的J.J.汤姆逊之子，G.P.汤姆逊(George Paget Thomson) 则完全是有备而来。1924年，他就在英文的《哲学研究》上看到了德布罗意关于物质波的论文，并于1925年在杂志上发表文章，给了当时还无人喝彩德布罗意珍稀的支持。凑巧的是他也参加了1926年英国科学促进会的牛津会议，不凑巧的是没有见到戴维逊。正好在会议期间，G.P.汤姆逊去参观了卡迪文许实验室，看到了在氦气中的电子散射实验，在散射中出现了一种异象——某些特殊方向上散射特别强。有理论准备的小汤姆逊马上想到了电子衍射，当时就有了按捺不住的冲动，心想：“气体的做过了，让我们来试固体吧！”
回到家，马上跟研究生瑞德（Reid）行动进来。实际上，据后来的科学家说，戴维逊的晶体散射实验是很难做的，即使是现在做，也很难重复。G.P.汤姆逊他们用一种更简单直接的方法，用高能电子透射金属箔（图5.6）。果然他和瑞德很快就观察到了衍射环（图5.7）。根据这些圆环的半径可以计算出电子波的波长，与德布罗意的假说正好符合。再一次地证实了电子的波动性。甚至比戴维逊更早，1927年6月，《自然》杂志上就发表了G.P.汤姆逊和瑞德的实验报告，无可辩驳的证明了电子波的存在。这一年，距离父亲J.J.汤姆逊于1897年实验证明电子是一种粒子正好30年。
图5.6 G.P.汤姆逊电子衍射实验,电子透过金属箔,直接在背景屏造成衍射图纹
图 5.7 G.P.汤姆逊实验观测到的电子衍射环,亮环是电子波同相倍加的干涉效应,暗环是异相相消的干涉效应
实验权威终于为德布罗意说话了——物质波来到世界！
与老前辈相比，德布罗意是幸运的。与论文完成相隔仅5年，实验证实仅2年，1929年他就登上了诺贝尔物理奖的领奖台，而且是诺奖史上第一个凭博士论文获奖的。
大家好才是真的好。1937年，戴维逊和G.P.汤姆逊也双双因电子波实验获得诺贝尔物理学奖。
1944年6月6号，盟军在法国诺曼底成功登陆，开辟了欧洲第二战场，法西斯阵营败局已定。
1924年，波动力学的先遣部队“德布罗意波”成功地在法国巴黎诞生，继爱因斯坦的光量子假说开辟的第一战线之后，开辟了量子革命的第二战线，量子革命胜利有望！
(第五章完)
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