戴维森低速电子衍射实验
最早直接证实实物粒子具有波粒二象性的是G.J.戴维森，L.H.革末和G.P.汤姆孙。1924年德布罗意在博士论文答辩指出，可以从晶体衍射实验中检测到物质波。这一设想被戴维孙和革末在1927年通过电子加速到54kev射到镍单晶体的表面散射后产生衍射而实现。
戴维森与革末的实验装置极其精巧（见图4-1、图4-2）。整套装置仅长5英寸、高2英寸，密封在玻璃泡里，经反复烘烤与去气，真空度达10-8mmHg。散射电子用一双层的法拉第桶（叫电子收集器）收集，送到电流计测量。收集器内外两层之间用石英绝缘，加有反向电压，以阻止经过非弹性碰撞的电子进入收集器；收集器可沿轨道转动，使散射角在20°—90°的范围内改变。
仔细制备的样品是从晶体生长的单晶镍切割下来的，经过研磨、腐蚀，取(111)面正对电子束，这是由于镍是面心型晶体，(111)面是这类晶体点阵最为密集的方向。晶体安装在沿入射束方向的轴上，可以随意改变方位，如图4-3所示。散射电流取决于四个因素：轰击电流、方位、散射角和轰击电压。已知散射电流与轰击电流之间有简单的正比关系，实验主要考察散射电流跟后面三项的关系。他们做了大量的测试工作，最后综合了几十组曲线，肯定这是电子束打到镍晶体发生的衍射现象。于是，他们进一步做定量比较。然而，不同加速电压下，电子束的最大值所在的散射角，总与德布罗意公式计算的结果相差一些。他们发现，如果理论值乘0.7，与电子衍射角基本相符。文章发表不久，依卡特(Eekart)指出，这是电子在晶体中的折射率不同所致。至此，电子衍射的现象终于被人们确认。
图4-1 戴维森电子衍射实验装置原理图之一
图4-2 戴维森电子衍射实验装置原理图之二
图4-3 低能电子束射向镍晶体（111）面
汤姆生的高速电子散射实验
G．P．汤姆生和他的同事对高速电子衍射进行了一系列的实验，进一步得到了电子衍射的衍射花样。从而比戴维森更为直接地对电子衍射做出了验证。
汤姆生的电子衍射实验原理如图4-4所示。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，不必像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。
图4-4 汤姆生的电子衍射实验原理
图4-5 汤姆生的电子衍射实验装置
在戴维森等科学家对电子的波粒二象性进行实验验证的同一时期，1930年，艾斯特曼和斯忒恩用氦原子或氢分子重复了戴维逊—革末的电子束实验，他用氦原子或氢分子束入射到氟化锂单晶上，实验测得氦原子波的波长和理论值的波长误差在1%﹣2%以内，随后中子的波动性也得到了验证。
7.3关于光的本性——“非波非粒，亦波亦粒”
光由微粒组成，这一观点在物理学中已经定型。但是，量子惠勒延迟选择实验研究关于光的本性问题，又有了一个全新的认识，即光“非波非粒，亦波亦粒”[1]。
在经典的惠勒延迟选择实验中，光的粒子性和波动性是不能同时显现出来的。 2012年，中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室李传峰研究组首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出粒子和波的叠加态，重新定义波粒二象性的概念[11]。在量子惠勒延迟选择实验中，李传峰研究组引入一个量子态直接用于控制探测装置（实验装置详见图7-1），使探测装置可以处在探测波动性与探测粒子性两种相互排斥的状态的量子叠加上[12]。李传峰实验组用量子控制的手段，设计了量子分束器。他们设计的这种量子分束器可以处在有分束器和没有分束器两个不同装置的叠加状态。他们将量子分束器应用到惠勒延迟实验，利用自组织量子点产生的具有确定性的单光子源作为光源，实现了量子惠勒延迟选择实验[12]。
实验结果表明，光子可以处在波动态和粒子态的叠加态，并且可以呈现出粒子性和波动性的干涉。量子惠勒延迟选择实验的完成使得光子有自由意志的假设被排除了，隐变量的量子理论被推翻了，并发现了光子的异常行为，首次观察到的波和粒子的叠加。当光子处于波-粒叠加态的时候，显现的干涉条纹，不像是处于波动态时那样呈现正弦波形的干涉条纹或者是像粒子态一样没有出现干涉条纹，而是呈现了一种“非波非粒，亦波亦粒”[12]的干涉条纹（详见图7-2）。由这样的实验结果，让我们对光又有了进一步的认识，即可以说光既不是波也不是粒子，但同时又是波又是粒子。这是对光的本质的一种新生的解释，人们可能暂时还无法理解光的这种特性。量子惠勒延迟选择实验的实验结果，历史上第一次从实验上对波尔的互补原理提出了质疑。
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