回顧物理學(xué)的發(fā)展歷史，有一個(gè)有趣的規(guī)律，就是人類(lèi)在18,19世紀(jì)已經(jīng)觀察到很多物理現(xiàn)象，甚至基于這些現(xiàn)象有了應(yīng)用和產(chǎn)品，但是如何解釋這種現(xiàn)象，進(jìn)展不大。然而，到了二十世紀(jì)初，科學(xué)的積累終于量變引起了質(zhì)變，歐洲的英國(guó)，德國(guó)，法國(guó)，瑞典，丹麥等國(guó)家一批理論物理學(xué)家形成了朋友圈，比如湯姆森，愛(ài)因斯坦。普通人感覺(jué)他們呆頭呆腦，頭發(fā)亂如雞窩，腳上的兩只襪子顏色經(jīng)常都不一樣。

但是他們往往是數(shù)學(xué)天才，能夠利用一只筆，幾張紙，演算出一種理論和假說(shuō)去解釋過(guò)去發(fā)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。另外，由于出版業(yè)，交通和通訊業(yè)方興未艾，他們的理論很容易在科學(xué)界流傳開(kāi)來(lái)。這時(shí)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家開(kāi)始發(fā)揮巨大作用，這些科學(xué)家可能在中學(xué)和大學(xué)階段數(shù)學(xué)成績(jī)中不溜秋，但是他們心靈手巧，觀察力敏銳，能夠通過(guò)一些精彩絕倫的實(shí)驗(yàn)去證明愛(ài)因斯坦他們理論的正確，于是人類(lèi)在科學(xué)領(lǐng)域的探索就前進(jìn)了一大步。理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家因此先后獲得諾貝爾獎(jiǎng)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)理論不能完全解釋某些現(xiàn)象的時(shí)候，另外一批理論物理學(xué)家就推出新的假說(shuō)和理論，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家又去做實(shí)驗(yàn)證明它們的正確或錯(cuò)誤，周而復(fù)始，研究成果層出不窮?，F(xiàn)代物理的深厚根基在二戰(zhàn)前后就這樣成功搭建起來(lái)，我們現(xiàn)在生活的世界有了這個(gè)根基，因此枝葉繁茂，開(kāi)花結(jié)果。

比如，在19世紀(jì)，科學(xué)家已經(jīng)知道了原子可以發(fā)射光譜和吸收光譜，甚至第一只商業(yè)的霓虹燈都已經(jīng)在法國(guó)皇宮大廈熠熠生輝，但是原子光譜的產(chǎn)生原理依然沒(méi)有人清楚。

到了1913年，一位丹麥理論物理學(xué)家提出了一個(gè)革命性的原子模型理論成功地解釋了上面的現(xiàn)象，因此在1922年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他就是尼爾斯•玻爾（Niels Bohr）。有趣的是他在大學(xué)期間還擔(dān)任丹麥國(guó)家足球隊(duì)的守門(mén)員參加了1908年倫敦奧運(yùn)會(huì)，獲得了銀牌，在決賽中惜敗給東道主英國(guó)，當(dāng)時(shí)他是不是因?yàn)樗伎际裁次锢韱?wèn)題而走神失球，現(xiàn)在不得而知。

波爾的原子模型包括下面幾個(gè)要點(diǎn)：

1. 電子以圓形軌道圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，并且軌道的半徑是特定的，叫原子的能級(jí)（energy level），因此原子的能量是量子化的。原子的能量穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)叫定態(tài)，其中能量最低的時(shí)候叫基態(tài)（ground state），這時(shí)，電子最靠近原子核。原子能量高于基態(tài)的時(shí)候叫激發(fā)態(tài)（excited state），這時(shí)電子遠(yuǎn)離原子核。

2. 電子可以吸收電磁輻射能，然后從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。或者從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，同時(shí)以光子的形式釋放出電磁輻射能。光子的能量由這兩個(gè)定態(tài)的能量差決定。如果一個(gè)電子吸收能量徹底從原子里跑了出來(lái)，這時(shí)需要的能量叫電離能

（ionization energy）

波爾用這個(gè)模型解釋了氫原子的譜線(xiàn)。他指出，處于基態(tài)的氫原子受到激發(fā)后，它里面的電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這時(shí)原子進(jìn)入激發(fā)態(tài)，原子在這個(gè)狀態(tài)下不穩(wěn)定，所以它在很短時(shí)間內(nèi)要回到基態(tài)或能量稍低的狀態(tài)，這時(shí)就釋放出各種固定數(shù)量差的光子。如果電子從高能級(jí)回到n=1的低能級(jí)，就釋放出紫外線(xiàn)，如果回到n=2的低能級(jí)，就釋放出可見(jiàn)光，如果回到其他能級(jí)，就釋放出紅外線(xiàn)，如下圖所示：

波爾的理論聽(tīng)起來(lái)很有道理，但還是兩位德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，即詹姆斯•弗蘭克(James Franck)和古斯塔夫•赫茲(Gustav Hertz) ，證明它的正確性。在弗蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)中，他們用一束電子穿過(guò)真空管中水銀蒸氣，發(fā)現(xiàn)電子失去了部分能量，而水銀原子卻釋放出了紫外線(xiàn)，紫外線(xiàn)具有的能量完全等于電子失去的能量。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了波爾理論，他們獲得了1925年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

（本圖片是由衍石科技（北京）有限公司新研制的汞原子激發(fā)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)際測(cè)得汞原子峰譜曲線(xiàn)）

然而，波爾和其他科學(xué)家馬上發(fā)現(xiàn)這個(gè)原子模型理論只能解釋氫原子和類(lèi)氫離子的光譜特性，不能解釋有2個(gè)或更多電子的原子的光譜特性，另外，也解釋不了精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂現(xiàn)象，也解釋不了原子是如何構(gòu)成分子的。

于是，在1924年，法國(guó)理論物理學(xué)家德布羅意（de Broglie）在自己的博士論文里提出了一個(gè)新的假說(shuō)。他指出正如光具有粒子的特性一樣，具有動(dòng)量的粒子也應(yīng)該具有波的特性，粒子運(yùn)動(dòng)的越快，它的波長(zhǎng)越短，所以波爾原子模型中的電子應(yīng)該具備波的特性，它在自己的圓形軌道上像波那樣運(yùn)動(dòng)。

1927年，美國(guó)物理學(xué)家克林頓•戴維森（Clinton Davisson）與雷斯特•革末（Lester Germer）設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們用低速電子射于鎳晶體，取得了電子的衍射圖案，由于時(shí)間長(zhǎng)遠(yuǎn)圖案由衍石科技（北京）有限公司現(xiàn)在獲得的多晶體金衍射圖代替。

因?yàn)橹挥胁ú庞醒苌洮F(xiàn)象，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)

就有力地證明了電子具有波的特性，也就證明了德布羅意理論的正確性。 如今，物質(zhì)具有波的特性被廣泛認(rèn)可，并引發(fā)了很多科學(xué)發(fā)明。比如電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM）。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡利用的是可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍是400-700納米，所以任何物體的尺寸如果小于這個(gè)波長(zhǎng)，顯微鏡就無(wú)法看見(jiàn)了。因此光學(xué)顯微鏡只能放大1000-2000倍，可以看見(jiàn)微生物和細(xì)胞。 但是如果想看清楚它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就必須借助電子顯微鏡。

電子顯微鏡利用加速的電子束，電子的德布羅意波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)小幾千倍，分辨率達(dá)到0.1～0.2納米，放大倍數(shù)可以是幾萬(wàn)～百萬(wàn)倍。

既然所有物質(zhì)都有波的特性，那我們?yōu)槭裁雌綍r(shí)看不見(jiàn)它呢？這是因?yàn)橄鄬?duì)于物體的尺寸，它產(chǎn)生的波長(zhǎng)太小了，比如一個(gè)2兩的蘋(píng)果從樹(shù)上以每秒一米的速度掉下來(lái)，它產(chǎn)生的波長(zhǎng)是原子尺寸的24次方分之一，我們無(wú)法觀察到這樣的波。但是，電子產(chǎn)生的波長(zhǎng)大約等于原子的尺寸，所以電子的波的特性就非常明顯。