《命运骰子——量子力学简史》（第十一章）

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子——量子力学简史》（第十一章）
发信站: 两全其美网 (Thu Jul 3 13:11:09 2008), 本站(lqqm.net)


第十一章 晶体光栅


（1）
1926年，一个美国的实验物理学家登上了去英伦的船。 他叫戴维逊，有一个实验助手，叫革末，他们喜欢用高速电子流去轰击各种金属样品，然后再把散射电子的能量数据记录下来。这几年来，他们不断地干这样的事情，可以说已经干到山穷水尽的地步。
他们发现从金属靶上发射的“二次电子”有少数具有与一次电子相同的能量，显然是在金属反射时发生了弹性碰撞。——他们只关心这些经过弹性碰撞出来的电子。


可是问题在于，有时候这些弹性碰撞出来的能量不变的“二次电子”的角度分布有两个极大值。他们试图仿照卢塞福a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——卢塞福散射中，被原子核散射出来的“二次电子”的角度分布曲线并没有两个极大值。


戴维逊这个时候其实已经把两个事情混淆起来。
1。电子在卢塞福的核电场弹性散射
2。电子在金属晶体上的衍射


不 过，因为没有人告诉戴维逊电子是一种波（波才会衍射，具有在不同角度上的衍射峰，单缝衍射的光强分布是一个sinc函数的平方，sinc函数的定义是 sinx/x——这个函数非常重要，因为他是矩形门函数的傅里叶变换，所以经常出现在电路和光学的各个角落），所以美国物理界相安无事，只有戴维逊和革末 两个人为这些实验现象苦恼。因为物理实验有时是有非常大的误差的，保不准在什么地方会出错，所以， 有些物理现象并没有真正的物理含义，而仅仅是仪器或者样品的出现问题而引起的。




（2）

这次去英国开会，不知道能听到些什么新东西。戴维逊站在船头，脑子里一片混乱，去年的实验现象更加费解。

1925年的因为他们的金属镍样品被污染在实验出现了好几处尖锐的峰值。经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，构成了一排大约十块明显的结晶面。他们断定散射曲线随不同角度的多个极大值原因就在于原子重新排列成晶体阵列。



戴维逊心想：“晶体……好几处尖锐的峰值？”

可是，戴维逊还是不明白为什么会这样。


这说明戴维逊还不够敏感，因为做过x射线对晶体衍射的人多数对不同角度具有多个极大值的曲线非常敏感——那就是衍射级次——衍射级次是对单色光而言的，波的干涉效应使得同一波长的光将在不同的角度出现光强极大值。



（3）
到了英国，这些科学家们在牛津开会。会议由著名的德国物理学家波恩主持，他提到了德布罗意波。德布罗意波？戴维逊以前闻所未闻，他立即联想到了自己最近获得的好几处尖锐的峰值的实验数据……。真是一语惊醒梦中人，这很可能就是德布罗意所预言过的电子衍射！



这个晚上，戴维逊在英国睡不着觉了。 脑子里反复在想：“电子？是波？λ=h/p？晶体相当于光栅？衍射了？”


光栅是具有周期性结构的镜子，一般来说，在一个毫米的距离上刻有几百到上千条凹槽。这最初是弗朗禾费发明的，用来对可见光的分光实验——就是把白光分成七色光，但光栅不同于棱镜，光栅还能把同一波长的光在不同角度分配能量。

因 为电子的波长比可见光要短很多，跟x射线一样，光栅分光能力对它已经不起作用。大自然鬼斧神工，自然界里还有其他周期性的结构，比如晶体就是很好的“光 栅”（1866年布拉维得到了14种晶体的点阵分类，后来已经有狄拉克的大舅子威格那开始把群论的思想引进到晶体这种具有高度对称性的东西里来了。劳厄对 x射线的衍射做了很深入的研究，比较简单的关于晶体衍射方程则是布拉格方程）


既然话已经说到这里，我们不妨继续多说几句。

光栅的理论分辨率是与每毫米的光栅凹槽的数目成正比的。但对于x射线和电子来说，这个分辨率还是不够的，因为凡是光栅，都是人做出来的，对电子波来说，凹槽与凹槽之间的距离还是太大了，电子根本就表现不出波动性来。


晶体可以被来充当光栅的角色。目前在中国就有很多分析仪器公司能够生产x射线衍射仪，用来做物相分析，著者年轻的时候，就曾经在一家分析仪器公司做研究，深深地觉得，仪器如女人，很难琢磨但确实很有意思。



废话少说，戴维逊回到美国，准备了很纯净的单晶镍，在1927年和革末一起出色了完成了再次完成电子波动衍射的实验。

从此，江湖上风声鹤戾，事情已经变得很诡异。人们总是想祥林嫂一样徘徊彷徨路前，见人就问：“我听说你在做物理，我想问你一个问题，这电子，究竟是波还是粒子？”