波粒二象性

百度首頁 | 登錄 新聞網頁貼吧知道MP3圖片視頻百科文庫 　　幫助設置 首頁 自然 文化 地理 歷史 生活 社會 藝術 人物 經濟 科學 體育 世博 世界盃 　　編輯詞條 波粒二象性 百科名片　　波粒二象性波粒二象性（wave-particle duality）是指某物質同時具備波的特質及粒子的特質。波粒二象性是量子力學中的一個重要概念。在經典力學中，研究對象總是被明確區分為兩類：波和粒子。前者的典型例子是光，後者則組成了我們常說的「物質」。1905年，愛因斯坦提出了光電效應的光量子解釋，人們開始意識到光波同時具有波和粒子的雙重性質。1924年，德布羅意提出「物質波」假說，認為和光一樣，一切物質都具有波粒二象性。根據這一假說，電子也會具有干涉和衍射等波動現象，這被後來的電子衍射試驗所證實。　　目錄[隱藏]　　簡介　　「波」和「粒子」統一的數學關係振動粒子的量子論詮釋　　粒子的波動與德布羅意物質波的統一　　量子力學新詮釋：霍金膜上的四維量子論　　歷史　　惠更斯和牛頓，早期光理論　　費涅爾、麥克斯韋和楊　　愛因斯坦和光子　　光電效應方程　　德布羅意假設　　波恩概率波　　薛定諤方程簡介　　「波」和「粒子」統一的數學關係 振動粒子的量子論詮釋 　　粒子的波動與德布羅意物質波的統一　　量子力學新詮釋：霍金膜上的四維量子論　　歷史　　惠更斯和牛頓，早期光理論　　費涅爾、麥克斯韋和楊　　愛因斯坦和光子　　光電效應方程　　德布羅意假設波恩概率波薛定諤方程 　　　　　　[編輯本段]簡介　　　　波粒二象性（wave-particle duality）是指某物質同時具備波的特質及粒子的特質。波粒二象性是量子力學中的一個重要概念。 　　震動的微粒子的解說——量子論 　　波粒統一性（鄧宇等） 　　振動中的弦 　　微粒子的振動+平動＝波動粒子　　[編輯本段]「波」和「粒子」統一的數學關係　　振動粒子的量子論詮釋　　　　物質的粒子性由能量 E 和動量 p 刻劃，波的特徵則由電磁波頻率 ν 和其波長 λ 表達，這兩組物理量的比例因子由普朗克常數 h（h=6.626*10^-34J·s） 所聯繫。 　　E=hv , E=mc^2 聯立兩式，得：m=hv/c^2(這是光子的相對論質量，由於光子無法靜止，因此光子無靜質量）而p=mc 　　則p=hv/c（p 為動量） 　　粒子波的一維平面波的偏微分波動方程,其一般形式為 　　эξ/эx=(1/u)(эξ/эt) 5 　　三維空間中傳播的平面粒子波的經典波動方程為 　　эξ/эx+эξ/эy+эξ/эz=(1/u)(эξ/эt) 6 　　波動方程實際是經典粒子物理和波動物理的統一體,是運動學與波動學的統一.波動學是運動學的一部分,是運動學的延伸,即平動與振動的矢量和.對象不同,一個是連續介質,一個是定域的粒子,都可以具有波動性.（鄧宇等，80年代） 　　經典波動方程1,1&&9;式或4--6式中的u,隱含著不連續的量子關係E=hυ和德布羅意關係λ=h/p,由於u=υλ，故可在u=υλ的右邊乘以含普朗克常數h的因子(h/h),就得到 　　u＝(υh)(λ/h) 　　=E/p 　　使經典物理與量子物理,連續與不連續(定域)之間產生了聯繫,得到統一.　　粒子的波動與德布羅意物質波的統一　　　　德布羅意關係λ=h/p,和量子關係E=hυ(及薛定諤方程)這兩個關係式實際表示的是波性與粒子性的統一關係, 而不是粒性與波性的兩分.德布羅意物質波是粒波一體的真物質粒子,光子,電子等的波動.　　[編輯本段]量子力學新詮釋：霍金膜上的四維量子論　　　　類似10維或11維的「弦論」＝振動的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。 　　霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋（鄧宇等，80年代）： 　　振動的量子（波動的量子＝量子鬼波）＝平動微粒子的振動；振動的微粒子；震蕩中的象量子（粒子）一樣的微小物體。 　　波動量子＝量子的波動＝微粒子的平動+振動 　　＝平動+振動 　　＝矢量和 　　量子鬼波的DENG&&9;S詮釋：微粒子（量子）平動與振動的矢量和 　　粒子波、量子波＝粒子的震蕩（平動粒子的震動）　　[編輯本段]歷史　　　　在十九世紀末，日臻成熟的原子理論逐漸盛行，根據原子理論的看法，物質都是由微小的粒子——原子構成。比如原本被認為是一種流體的電，由湯普孫的陰極射線實驗證明是由被稱為電子的粒子所組成。因此，人們認為大多數的物質是由粒子所組成。而與此同時，波被認為是物質的另一種存在方式。波動理論已經被相當深入地研究，包括干涉和衍射等現象。由於光在托馬斯·楊的雙縫干涉實驗中，以及夫琅和費衍射中所展現的特性，明顯地說明它是一種波動。 　　不過在二十世紀來臨之時，這個觀點面臨了一些挑戰。1905年由阿爾伯特·愛因斯坦研究的光電效應展示了光粒子性的一面。隨後，電子衍射被預言和證實了。這又展現了原來被認為是粒子的電子波動性的一面。 　　這個波與粒子的困擾終於在二十世紀初由量子力學的建立所解決，即所謂波粒二象性。它提供了一個理論框架，使得任何物質在一定的環境下都能夠表現出這兩種性質。量子力學認為自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用一個微分方程，如薛定諤方程來描述。這個方程的解即為波函數，它描述了粒子的狀態。波函數具有疊加性，即，它們能夠像波一樣互相干涉和衍射。同時，波函數也被解釋為描述粒子出現在特定位置的幾率幅。這樣，粒子性和波動性就統一在同一個解釋中。 　　之所以在日常生活中觀察不到物體的波動性，是因為他們的質量太大，導致特徵波長比可觀察的限度要小很多，因此可能發生波動性質的尺度在日常生活經驗範圍之外。這也是為什麼經典力學能夠令人滿意地解釋「自然現象」。反之，對於基本粒子來說，它們的質量和尺度決定了它們的行為主要是由量子力學所描述的，因而與我們所習慣的圖景相差甚遠。　　[編輯本段]惠更斯和牛頓，早期光理論　　　　最早的綜合光理論是由克里斯蒂安·惠更斯所發展的，他提出了一個光的波動理論，解釋了光波如何形成波前，直線傳播。該理論也能很好地解釋折射現象。但是，該理論在另一些方面遇見了困難。因而它很快就被艾薩克·牛頓的粒子理論所超越。牛頓認為光是由微小粒子所組成，這樣他能夠很自然地解釋反射現象。並且，他也能稍顯麻煩地解釋透鏡的折射現象，以及通過三稜鏡將陽光分解為彩虹。 　　由於牛頓無與倫比的學術地位，他的理論在一個多世紀內無人敢於挑戰，而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。直到十九世紀初衍射現象被發現，光的波動理論才重新得到承認。而光的波動性與粒子性的爭論從未平息。　　[編輯本段]費涅爾、麥克斯韋和楊　　　　十九世紀早期由托馬斯·楊和奧古斯丁-讓·費涅爾所演示的雙縫干涉實驗為惠更斯的理論提供了實驗依據：這些實驗顯示，當光穿過網格時，可以觀察到一個干涉樣式，與水波的干涉行為十分相似。並且，通過這些樣式可以計算出光的波長。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在世紀末葉給出了一組方程，揭示了電磁波的性質。而方程得到的結果，電磁波的傳播速度就是光速，這使得光作為電磁波的解釋被人廣泛接受，而惠更斯的理論也得到了重新認可。　　[編輯本段]愛因斯坦和光子　　　　1905年，愛因斯坦對光電效應提出了一個理論，解決了之前光的波動理論所無法解釋的這個實驗現象。他引入了光子，一個攜帶光能的量子的概念。 　　在光電效應中，人們觀察到將一束光線照射在某些金屬上會在電路中產生一定的電流。可以推斷是光將金屬中的電子打出，使得它們流動。然而，人們同時觀察到，對於某些材料，即使一束微弱的藍光也能產生電流，但是無論多麼強的紅光都無法在其中引出電流。根據波動理論，光強對應於它所攜帶的能量，因而強光一定能提供更強的能量將電子擊出。然而事實與預期的恰巧相反。 　　愛因斯坦將其解釋為量子化效應：電子被光子擊出金屬，每一個光子都帶有一部分能量E，這份能量對應於光的頻率ν：E=hν 　　這裡h是普朗克常數（6.626 x 10^-34 J s）。光束的顏色決定於光子的頻率，而光強則決定於光子的數量。由於量子化效應，每個電子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高頻率的光子（藍光，而非紅光）才有能力將電子擊出。 　　愛因斯坦因為他的光電效應理論獲得了1921年諾貝爾物理學獎。　　[編輯本段]光電效應方程　　　　由於Ｅ=hv，這光照射到原子上，其中電子吸收一份能量，從而克服逸出功，逃出原子。電子所具有的動能Ek=hv-Wo,Wo為電子逃出原子所需的逸出功。這就是愛因斯坦的光電效應方程。　　[編輯本段]德布羅意假設　　　　1924年，路易-維克多&S226;德&S226;布羅意注意到原子中電子的穩定運動需要引入整數來描寫，與物理學中其他涉及整數的現象如干涉和振動簡正模式之間的類似性，構造了德布羅意假設，提出正如光具有波粒二象性一樣，實物粒子也具有波粒二象性。他將這個波長λ和動量p聯繫為：λ=h/p 　　這是對愛因斯坦等式的一般化，因為光子的動量為p = E / c（c為真空中的光速），而λ = c / ν。 　　德布羅意的方程三年後通過兩個獨立的電子散射實驗被證實於電子（具有靜止質量）身上。在貝爾實驗室Clinton Joseph Davisson和Lester Halbert Germer以低速電子束射向鎳單晶獲得電子經單晶衍射，測得電子的波長與德布羅意公式一致。在阿伯丁大學，George Paget Thomson以高速電子穿過多晶金屬箔獲得類似X射線在多晶上產生的衍射花紋，確鑿證實了電子的波動性；以後又有其他實驗觀測到氦原子、氫分子以及中子的衍射現象，微觀粒子的波動性已被廣泛地證實。根據微觀粒子波動性發展起來的電子顯微鏡、電子衍射技術和中子衍射技術已成為探測物質微觀結構和晶體結構分析的有力手段。 　　德布羅意於1929年因為這個假設獲得了諾貝爾物理學獎。Thomson和Davisson因為他們的實驗工作共享了1937年諾貝爾物理學獎。　　[編輯本段]波恩概率波　　　　光和微觀粒子的波粒二象性如何統一的問題是人類認識史上最令人困惑的問題 ，至今不能說問題已經完全解決（物質的結構是核式的，原子如此，光子、電子、質子、大到天體都有自己的核心，都有繞核心運動的物質存在，每個核式結構體在運動中由於核式結構的特點，都做具有波動的直線運動，都有測不準的因素存在，都有量子化的物理特徵，各有能級的存在，各有特定的能量吸收才可以發生躍遷。張各高中物理教師提出的自己的觀點，歡迎指正）1926年M.玻恩提出概率波解釋，較好地解決了這個問題。按照概率波解釋，描述粒子波動性所用的波函數Ψ(x、y、z、t)是概率波，而不是什麼具體的物質波；波函數的絕對值的平方｜ψ｜2＝ψ*ψ表示時刻t在x、y、z處出現的粒子的概率密度，ψ*表示ψ 的共軛波函數。在電子通過雙孔的干涉實驗中，｜ψ｜2＝｜ψ1＋ψ2｜2＝｜ψ1｜2＋｜ψ2｜2＋ψ1*ψ2＋ψ1ψ2*，強度｜ψ｜2大的地方出現粒子的概率大 ，相應的粒子數多，強度弱的地方，｜ψ｜2小 ，出現粒子的概率小，相應的粒子數少，ψ1*ψ2＋ψ1ψ2*正是反映干涉效應的項，不管實驗是在粒子流強度大的條件下做的，還是粒子流很弱，讓粒子一個一個地射入，多次重複實驗，兩者所得的干涉條紋結果是相同的。 　　在粒子流很弱、粒子一個一個地射入多次重複實驗中顯示的干涉效應表明，微觀粒子的波動性不是大量粒子聚集的性質，單個粒子即具有波動性。於是，一方面粒子是不可分割的，另一方面在雙孔實驗中雙孔又是同時起作用的，因此，對於微觀粒子談論它的運動軌道是沒有意義的。 　　由於微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵從的運動規律不同於宏觀物體的運動規律，描述微觀粒子運動規律的量子力學也就不同於描述宏觀物體運動規律的經典力學。　　[編輯本段]薛定諤方程　　　　量子力學中求解粒子問題常歸結為解薛定諤方程或定態薛定諤方程。薛定諤方程廣泛地用於原子物理、核物理和固體物理，對於原子、分子、核、固體等一系列問題中求解的結果都與實際符合得很好。 　　薛定諤方程僅適用於速度不太大的非相對論粒子，其中也沒有包含關於粒子自旋的描述。當計及相對論效應時，薛定諤方程由相對論量子力學方程所取代，其中自然包含了粒子的自旋。 　　.薛定諤提出的量子力學基本方程 。建立於 1926年。它是一個非相對論的波動方程。它反映了描述微觀粒子的狀態隨時間變化的規律，它在量子力學中的地位相當於牛頓定律對於經典力學一樣，是量子力學的基本假設之一。設描述微觀粒子狀態的波函數為Ψ（r，t），質量為m的微觀粒子在勢場U（r，t）中運動的薛定諤方程為。在給定初始條件和邊界條件以及波函數所滿足的單值、有限、連續的條件下，可解出波函數Ψ（r，t）。由此可計算粒子的分布概率和任何可能實驗的平均值（期望值）。當勢函數U不依賴於時間t時，粒子具有確定的能量，粒子的狀態稱為定態。定態時的波函數可寫成式中Ψ（r）稱為定態波函數，滿足定態薛定諤方程，這一方程在數學上稱為本徵方程，式中E為本徵值，是定態能量，Ψ（r）又稱為屬於本徵值E的本徵函數。　　擴展閱讀： 　　1.《論熱力學的第二定律》1879年 　　2.《論維恩光譜方程的完善》1900年 　　3.《論正常光譜中的能量分布》1900年 　　4.《熱輻射講義》1906年 　　5.《關於正常光譜的能量分布定律的理論》1900年 　　開放分類： 　　自然科學，物理，物質，量子力學 　　[我來完善] 「波粒二象性」相關詞條： 　　更多 　　基本粒子電磁波雙縫實驗雙縫干涉　　百度百科中的詞條內容僅供參考，如果您需要解決具體問題　　（尤其在法律、醫學等領域），建議您諮詢相關領域專業人士。 本詞條對我有幫助　　779分享到i貼吧 添加到搜藏 分享到新浪微博 分享到豆瓣網 合作編輯者 　　lisan1233 、yaoerxian 、evil_飛 、百科ROBOT 、嘻嘻公 、數學天空 、giiqud 、冰清凌凝 更多 　　如果您認為本詞條還需進一步完善，百科歡迎您也來參與編輯詞條在開始編輯前，您還可以先學習如何編輯詞條　　如想投訴，請到百度百科投訴中心；如想提出意見、建議，請到百度百科吧。 　　詞條統計　　瀏覽次數：約 58781次　　編輯次數：29次 歷史版本 　　最近更新：2010-07-07　　創建者：雷宇田　　最新動態　　百科4周年活動兌獎：　　百科消息：　　百度百科權威合作　　名片編輯器升級 　　我的百科我的家　　貼吧相冊上線　　我的船長我的船--船長的航海日誌　　© 2010 Baidu 權利聲明
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