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第六十三回:王子追电子探得微观新奥秘,数学加物理辟出力学新体(2/4)

睛出了毛病?”戴维逊说着和革末换了个位置。“哎呀,电子束怎么不稳定了呢?”各位读者,你道他们发现了什么?原来随着锌板的取向变化,电子束的强度也在变化,这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样,但是电子明明是粒子啊,它怎么能有波的性质呢?

戴维逊师徒两人又将这个实验重复了多遍,仍然如此,他们一下跌入闷葫芦里。要说电子也是波,这简直就好像说人头上长角一样不可思议。他们就这样百思不得其解,在闷葫芦里一直闷了两年。两年后的夏天,戴维逊访问英国,遇到著名的物理学家玻恩。

两人刚坐好,戴维逊就迫不及待,将那个在肚子里憋了两年的问题提了出来。玻恩不听犹可,一听戴维逊如此这般地描述,便喜不自禁,也不顾是与客人初次见面,突然在对方肩上拍了一把,大声说道:“朋友,您已经撞开了上帝的大门。

”“难道电子真的也是一种波吗?”“是的,光有波粒二象性,一切物质微粒也有波粒二象性,电子也不例外。这正是欧洲大陆上近年来最新的理论。可惜这个假设还从没有人来验证,想不到证据却操在你的手里。”“看来我们美国与这里远隔重洋,真是消息闭塞。

我要是早一点来访问,何至于苦闷两年呢?快请您告诉我是谁提出了这个伟大的假设?”“就是那个法国人德布罗意,这个人本是学文科的,半路出家投身物理。但也正因此他没有我们同行中惯有的旧框子,所以倒捷足先登。他不但提出假设,还推出公式,能具体地求出粒子的波长呢。

他的论文发表在法国科学院会议周报上和英国的《哲学杂志》上,您可以仔细研究一下。”这两个科学家越谈越有劲,而戴维逊心里已在悄悄地说:只今天这一席谈话我就不虚此行了。拜会过玻恩之后戴维逊已无心再到哪里转了,便草草结束了这次访问。

他回到美国后,重做了两年前的实验,果然与德布罗意的预言和计算完全一致。原来两年前的那次液态气瓶爆裂帮了他的大忙。他和革末对锌板加热、洗刷后,锌板就变成了单晶体,而任何一种波经过晶体,都会生成强度周期性的变化现象。

他们真是因祸得福。同时还有另一名英国物理学家小汤姆生,则从另一条途径获得一张电子衍射的照片。德布罗意理论从此得到了有力的证实。德氏因此获得1929年的诺贝尔物理学奖金,而戴维逊和小汤姆生则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。

读者或许要问:这个小汤姆生与我们前面提到的老汤姆生是何关系?原来他们正是一父一子,老子发现了电子,儿子又证实了电子是波,父子二人在物理学方面做着接力研究,一时在科学史上传为美谈。各位读者,容作者在这里插几句闲话。

德布罗意和戴维逊等人证明电子是波,好像实在抽象,我们这里只举一个例子就可知这个理论的威力。我们平常所以能看到东西是靠光,那是平常的光作用于物体,再反射到我们眼里。光学显微镜所能显示的物体微小细部的能力,因所使用的光的波长小到什么程度而定。

因此,放大能力最强的显微镜便使用紫外光。这好比我们撬一块大石头,要用一根粗木棍,而剔牙时却只能用一根细牙签了。好了,现在证明电子和光一样也是波,而且它的波长比紫外光要小几千倍,何不用来代替光显示物体呢?

果然,人们把电子束集中在一个焦点上,射过物体,便在萤光屏上得到一个放大的图像。1932年世界上发明第一架电子显微镜。1938年美国人制成了一架能放大三万倍的电子显微镜,而当时最大的光学显微镜也只能放大2500倍,现在人们使用的电子显微镜已经能放大到二十万倍以上。

好了,闲话暂且不提,我们还回到德布罗意的故事上来。这德布罗意假设一提出,当时大部分物理学家都抱着试试看的态度。其中有一个奥地利物理学家薛定锷(1887-1961)1926年正在苏黎世大学(就是爱因斯坦曾工作过的那所大学)任教授。

有人建议他把这个假设拿到学生中去讨论,他很不以为然,只是出于礼貌,才勉强答应下来。可是当他为讨论准备介绍报告时,立即被德布罗意的思想抓住了。现在我们又要看到科学史上一次惊人的相似。这薛定锷的特长是数学很好,于是他就像牛顿总结伽利略、开普勒的成果,麦克斯韦总结法拉第的成果一样,立即用数学公式将德布罗意的思想又提高了一层,得出一个著名的“薛定锷方程”。

这个方程一公布立即震惊物理界,它就像牛顿方程解释宏观世界一样,能准确地解释微观世界。它清楚地证明原子的能量是量子化的;电子运动在多条轨道上,跃迁轨道时就以光的形式放出或吸收能量;电子在核外运动有着确定的角度分布。

这样,他用数学形式辟出一个量子力学新体系。同时还有一个德国物理学家海森堡从另一角度研究量子力学,提出一个矩阵力学体系。薛定锷用的是微积分形式,海森堡用的是代数形式,物理学早已不是人们可以眼看手摸的形状、温度,它现在要用更抽象的概念才能作出更准确的表述了。

正像我们绘画时为了更准确地传神,白描反而不够,而要用写意。再说这个海森堡(1901-1976)越研究越深。最后,他发现我们虽然可以在宏观世界里准确地观察任何现象,而在微观世界里简直作不到这一点。这好比我们用一支粗大的

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