今天，老郭跟各位科学爱好者聊一下量子力学中最基础的实验“电子双狭缝衍射实验”。关于这个实验的过程，网上有很多的描述，都是科普人为了让大众看明白，按照自己的理解做描述，这些掺杂了个人见解的解读带来了对该实验的各种误读，本文将去伪存真，带大家看一下真实的双狭缝衍射实验究竟是怎么做的，告诉您实验背后的真相。
图1 电子双狭缝衍射实验
一、电子双狭缝实验的实施过程这个话题看上去好简单啊，就是弄个电子枪对着双狭缝射，然后再狭缝后面放一个接收屏，在屏幕上看条纹就行了。过程的确如此，但是真实过程远远比这个简单描述要复杂，实现起来难度非常高。下面我就来看一下实验前的超难准备工作。
1.1、第一个难点：连续可调、工作稳定、汇聚的电子束
其实电子束很容易获得，这就是以前我们用的阴极射线管。通电的灯丝发热后会释放出电子，电子在电场的加速下，形成了电子流。是不是看上去很简单，然而实际操作上却比这个复杂很多。其中一个难点是如何让灯丝能够稳定、可控地根据实验需要发出电子，比如实现单电子发射，至今仍然有很多科研人员不相信有能释放单电子的电子枪。
图2 应用在示波管上的电子枪
另一个难题是，电子是带负电荷的，聚集在一起的电子会因为相互之间的电荷斥力而发散，导致可能不会有足够数量的电子经过狭缝。所以实际上电子束需要通过磁场来进行聚焦，也就是用磁场把电子控制在一起，沿着一个方向运动。以现在的技术，这个不是什么大事，但是在上世纪20年代，实现起来就非常困难了。
1.2、第二个难点：双狭缝制造
如果没有足够小的狭缝，电子就不能发生衍射现象，或者说衍射现象就看不到。制作出足够狭窄的、间距满足要求的双狭缝就是这个实验能否做出效果的关键点。那么做这个很难吗？答案是：难，真的很难。这个狭缝需要有多狭窄？需要接近电子的波长，才能“看”到明显的衍射现象。大家看一下图2，波长与狭缝宽度的关系，图3a是波形跟狭缝宽度的关系，图3b是用惠耿思原理给出的解释。
图3 波长和狭缝的关系
为了给出电子的物质波的波长，我们来计算一下，灯丝发射出来的电子，在100V加速电场的作用下获得速度，此刻电子的得布罗意波的波长。电子的运动速率为图4中式子1，电子的动量为图4中式子2，由于电子的速度u<<c，不需要考虑相对论效应，可以计算出电子的动量图4中式子3。我们根据得布罗意公式可以计算出电子的波长图4中式子4。我们知道1纳米=10^-9米，这意味着，在100V电场的加速下，电子的物质波的波长为0.123纳米。
