不僅光具有波粒二象性,所有物質都具有波粒二象性,這就是物質波

2021-01-21 無上科學信仰

對於研究生而言,畢業論文可以說是一道關卡,當你面對論文毫無頭緒的時候,不用灰心,因為這可能並不是你的能力問題,在歷史上很多知名的物理學家也因畢業論文犯過難,而其中就有一個叫做德布羅意的法國人。

對德布羅意而言,一開始論文的寫作可能算不上順利,但最終他還是拿出一篇頗具價值的畢業論文,更令人驚奇的是,在數年之後,他憑藉這篇論文斬獲了諾貝爾物理學獎,他也成為了歷史上第一個憑藉畢業論文而斬獲諾貝爾物理學獎的科學家。德布羅意的故事是怎麼樣的呢?我們還要從他的身世說起。和許多出身平平或出身於書香門第的家庭不同,德布羅意可以說是出身豪門,德布羅意的家族擁有世襲的公爵爵位,而德布羅意恰恰是公爵爵位的繼承人,不僅如此,德布羅意的父親還出任過法國總理。

德布羅意雖然出生於豪門,卻不是一個紈絝子弟,他很有靈性,善於思考和研究。

如果說其它的諾貝爾物理學獎得主靠的是刻苦研究,那麼德布羅意則有一定的天賦成分。德布羅意的物理學之路可以說是半路出家,因為它一開始的專業是史學,主修中世紀歐洲史,後來因為一次偶然的機會,德布羅意聽到了一次法國數學物理學家龐加萊的報告,於是對物理學產生了興趣,轉而研究物理,德布羅意在物理學的道路上一路前進,在博士畢業前夕,他將要面對他人生中最重要的一件事情,那就是撰寫博士畢業論文,那麼論文該如何選題呢?

他想到了愛因斯坦所提出的光的波粒二象性,愛因斯坦關於光的波粒二象性,簡言之就是說光既具有波的特性,又具有粒子的特性。它既是波也是粒子。

無論說光是波,還是粒子,都有相關的實驗可以證明。

要證明光的波動性,依靠的是光的衍射和幹涉實驗,讓光子穿過一條細縫,那麼就會在細縫後面的背板上呈現出明顯的衍射條紋,而衍射條紋的顯著性與光的波長呈現正相關,波長越長,則波動性越明顯。而要證明光的粒子性,那麼就要依靠光電效應實驗了,讓光照射到一塊金屬板上,金屬板上的電子會被光子撞擊而出,這就體現出了光明顯的粒子性,而且實驗效果與光的動量和能量呈現正相關,也就是說光的動量越大,那麼粒子性就越明顯。

愛因斯坦的光子理論為人類對光的認知掃清了迷霧,而且憑藉這一理論,愛因斯坦斬獲了他科學生涯之中的諾貝爾物理學獎。在愛因斯坦提出了光子理論之後,玻爾又提出了另外一個概念,那就是電子軌道量子化。

原子是由原子核與核外電子所構成的,核外電子圍繞原子核運動。

一直以來,人們都認為電子的軌道具有隨機性,可以出現在任何位置,但隨著氫光譜發光現象被發現,人們發現以前的認知無法解釋這種現象,於是玻爾提出了電子軌道量子化概念,簡言之就是電子軌道是特定的,不能隨機出現在任何位置,而這個特定的位置要滿足一個條件,就是電子的質量乘以電子與原子核的距離再乘以電子的速度,這個乘積要等於普朗克常數除以2π。

玻爾的計算結果是正確的,但玻爾並不明白其中的意義。而此時德布羅意優秀的思考能力發揮了作用,他將愛因斯坦的光子理論和玻爾的電子軌道量子化概念結合起來思考,提出了一個新的概念,那就是不僅光具有波粒二象性,任何物質都具有波粒二象性,這就是物質波。

德布羅意認為電子是一種物質,是一種典型的粒子,而電子之所以只能在特定軌道上運行,是因為電子運動過程中會產生駐波。

簡言之,駐波就是可以首尾相接的波,而首位相接的波所運行的軌道周長必須要等于波長的整數倍,周長是2πr,而波長是普朗克常數除以動量,而把「周長等于波長的整數倍」進行移項,就得到了玻爾的計算結果。既然粒子也具有波動性,那麼為什麼測不出來呢?很簡單,相比光而言,物質粒子的運動速度太慢了,所以波長實在是太短了,採用常規方法很難測出來。但德布羅意也預言了,有朝一日,人類一定能夠測到實物粒子的幹涉和衍射現象,而這個預言已經得到了證實。為了讓波長很短的電子能夠出現衍射現象,湯姆孫給電子找了一個很細很細的縫,就是晶體膜,當電子通過晶體膜之後真的出現了衍射現象,毫無疑問,德布羅意的物質波理論是正確的。


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