浅谈波粒二象性-华中师范大学.PDFVIP

浅谈波粒二象性 王碧霄 2006623010 （华中师范大学物理学院06 基地班，武汉，430079 ） [摘要] ： “波粒二象性”是指一切物质同时具备波的特质及粒子的特质，是量子力学中的一个 十分重要以及十分基础的概念。“波动说”和“微粒说”——这两种不同的意见，在十九世 纪末及二十世纪初一直是物理学家们的难题。然而，这一困扰近半个世纪的难题，终于在二 十世纪初由量子力学的建立所解决，即所谓“波粒二象性”。 [关键词] ：波粒二象性；波动说；微粒说； “波粒二象性”是指一切物质同时具备波的特质及粒子的特质，是量子力学中的一个十 分重要以及十分基础的概念。 在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：“波”和 “粒子”。两者在二十世纪之 前可以说是风马牛不相及。其中，“波”的最主要代表例子是人们所熟悉的“光”，二十世纪 之前，人们认为光是一种 “波”。然而，从1905 年起，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解 释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924 年，德布罗意提出 “物质波” 假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍 射等波动现象，这被后来的戴维森-革末实验所证实。 下面，本文将对 “波粒二象性”这一概念的产生，发展，以及它对于量子力学的奠基性 作用给予简单阐述。 托马斯·杨 （Thomas Young ）对光的干涉的实验研究, 1803 年 在十九世纪末，日臻成熟的原子论逐渐盛行，根据原子理论的看法，物质都是由微小的 粒子——原子构成。虽然在此之前，“电”一直以来被认为是一种流体，然而，1897 年约瑟 夫· 汤姆生 （Joseph · Thomson ）的阴极射线实验证明：电是由被称为“电子”的粒子所组 成。于是，人们认为大多数的物质是由粒子所组成。而与此同时，“波”被认为是物质的另 一种存在方式。波动论已经被相当深入地研究，包括干涉和衍射等现象。由于光在托马斯·杨 （Thomas Young ）的双缝实验中，以及夫琅和费 （Fraunhofer）衍射中所展现的特性，明显 地说明它是一种波动。 在二十世纪来临之时，这个观点面临了一些挑战。1905 年，由阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein ）的光电效应展示了光粒子性的一面。随后，电子衍射被预言和证实了。这又展现 了原来被认为是粒子的电子波动性的一面。 惠更斯和牛顿，早期光理论 最早的综合光理论是由克里斯蒂安·惠更斯 （Christiaan Huygens ）所发展的，他提出 了一个光的波动理论，解释了光波如何形成波前，如何直线传播。该理论也能很好地解释折 射现象。但是，该理论在另一些方面遇见了困难。因而它很快就被艾萨克·牛顿 （SirIsaacNewton ）的粒子理论所超越。牛顿认为光是由微小粒子所组成，这样他能够很自 然地解释反射现象。并且，他也能稍显麻烦地解释透镜的折射现象，以及通过三棱镜将阳光 分解为彩虹。 由于牛顿无与伦比的学术地位，他的理论在一个多世纪内无人敢于挑战，而惠更斯的理 论则渐渐为人淡忘。直到十九世纪初衍射现象被发现，光的波动理论才重新得到承认。而光 的波动性与粒子性的争论从未平息。 费涅尔、麦克斯韦和杨 十九世纪早期由托马斯·杨 （Thomas Young ）和奥古斯丁·简·菲涅耳(Augustin-Jean Fresnel)所演示的双缝实验为惠更斯的理论提供了实验依据：这些实验显示，当光穿过网格 时，可以观察到一个干涉样式，与水波的干涉行为十分相似。并且，通过这些样式可以计算 出光的波长。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在世纪末叶给出了一组方程，揭示了电磁波的性质。 而方程得到的结果，电磁波的传播速度就是光速，这使得光作为电磁波的解释被人广泛接受， 而惠更斯的理论也得到了重新认可。 爱因斯坦和光子 1905 年，爱因斯坦对光电效应提出了一个理论，解决了之前光的波动理论所无法解释的这 个实验现象。他引入了光子，一个携带光能的量子的概念。 在光电效应中，人们观察到将一束光线照射在某些金属上会在电路中产生一定的电流。 可以推断是光将金属中的电子打出，使得它们流动。然而，人们同时观察到，对于某些材料， 即使一束微弱的蓝光也能产生电流，但是无论多么强的红光都无法在其中引出电流。根据波 动理论，光强对应于它所携带的能量，因而强光一定能提供更强的能量将电子击