物质波理论的实验验证(3)

他很欣赏1924年德布罗意的论文，并于1925年向《哲学杂志》投过一篇论文，试图参加有关物质波的讨论。1926年在牛津召开的英国科学促进会他也参加了，不过当时没有见到戴维森。是玻恩的报告引起他对德布罗意物质波假说的进一步兴趣，促使他按照埃尔萨塞的方案去探讨电子波存在的可能性。他的实验室有优越的条件可以进行电子散射实验。果然当他把正射线的散射实验装置作些改造，把感应圈的极性反接，在电子束所经途中加一赛璐珞薄膜作为靶子，让电子束射向感光底片，不久就得到了边缘模糊的晕环照片。这就是最早的电子衍射花纹。G.P.汤姆生的电子衍射实验原理。
     它的特点是：电子束经高达上万伏的电压加速，能量相当于10—40keV，电子有可能穿透固体薄箔，直接产生衍射花纹，不必象戴维森的低能电子衍射实验那样，要靠反射的方法逐点进行观测，而且衍射物质也不必用单晶材料，可以用多晶体代替。因为多晶体是由大量随机取向的微小晶体组成，沿各种方向的平面都有可能满足布拉格条件，所以可以从各个方向同时观察到衍射，衍射花纹必将组成一个个同心圆环，和X射线德拜粉末法所得衍射图形类似。1937年，G.P.汤姆生和戴维森一起，由于电子衍射方面的工作共获诺贝尔物理奖。
     物质波理论不仅得到电子束实验的证实，还可以从分子束甚至中子束获得验证。1930年，分子束方法的创始人斯特恩(O.Stern)和他的合作者用氢分子和氦原子证实普通原子和分子也具有波动性，成功的关键是他们做成了极其灵敏的气压计，可用于检测分子束。原子和分子是中性的，无法用电场加速，只能从平衡态的热分布中选择某一范围速度内的部分粒子，所以能量非常低，一般只有百分之几电子伏特，相当于波长为1Å。氦原子束或氢分子束经准直缝投向氟化锂(LiF)单晶，散射后被检测器（即气压计）接收。
     检测器可以绕轴旋转测不同方位的粒子数。当方位角ψ=0时，反射束与入射束处于同一平面，强度最大；改变ψ角，强度锐减；当ψ=11°时，出现第一衍射峰，1931—1933年，斯特恩等人在分子束所经的途中加了一道速度选择器，实验结果大为改善。速度选择器是由两只同轴齿轮组成，轮上沿辐向各刻有400多个轮齿。齿轮的转速可以调节，不同的转速选择不同速度的分子（实际上是速度间隔为V→v+△v的分子）自由地穿过轮齿，到达LiF晶体。
     用这个方法，斯特恩证明氦原子束经LiF晶体衍射所得结果与德布罗意关系一致，实验误差不超过1—2％。这项精采实验有很深远的意义。自由电子具有波动性可能还比较容易被人们接受，因为电子本身就是一种难以捉摸的微观粒子，波动性也许就是它的某种特性。当证明氢分子和氦原子一类的中性物质同样也具有波动性时，就不能不使人们确信波粒二象性是物质的普遍属性了。另一项值得提到的是核粒子的波动性，其中尤以中子衍射的研究最有价值。中子是1932年发现的，1936年就有人观测到中子的衍射现象。不过那时中子束是从最原始的中子源即镭铍源获得的。
     40年代以后，各种反应堆发展起来了，有可能获得较强的中子束。这时，中子衍射不但又一次提供了物质波的实验证据，而且被利用于探测物质结构，成了材料科学中的一门重要实验技术。