量子力學(xué)和物質(zhì)波(已修改)
2024-09-20 21:24 本頁面
【正文】 1 量子力學(xué)和物質(zhì)波 范錫龍 （山東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院） 摘 要 ： 量子力學(xué)是 20世紀(jì)最成功的 理論之一， 物質(zhì)波是量子力學(xué)從建立到完成過程中起決定性作用的概念之一 。 本文從量子力學(xué)的建立和發(fā)展過程出發(fā)，對量子力學(xué)與物質(zhì)波的關(guān)系給出了論證： 量子力學(xué)的建立過程就是對物質(zhì)波的認(rèn)識過程；量子力學(xué)的框架就是圍繞粒子的波動性（波函數(shù)）來完成的；量子力學(xué)的含義就是給物質(zhì)波一個物理解釋。文章最后作者根據(jù)自己的觀點(diǎn)給出了解決“量子物理論戰(zhàn)”的一條可能途徑。 關(guān)鍵詞： 量子力學(xué)；物質(zhì)波；波粒二象性 中圖分類號： O4 1 引言 量子力學(xué)是關(guān)于微觀粒子運(yùn)動的一門科學(xué)，其核心內(nèi)容是描述微觀粒子的波粒二象性 —— 微觀粒子的運(yùn)動規(guī)律類似于波的運(yùn)動；而微觀粒子在被一些實(shí)驗(yàn)手段測量時又體現(xiàn)經(jīng)典粒子的性質(zhì)，如，具有動量、質(zhì)量、電荷 —— 這看似矛盾的性質(zhì)被統(tǒng)一于物質(zhì)波的概念中。雖然我們對量子力學(xué)仍有疑問，但是它的成功已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，而且數(shù)學(xué)證明它也是自洽的，它自身的內(nèi)部體系已經(jīng)變得幾乎無懈可擊；所以我們要有所突破只能從外部，從它的假設(shè)入手。我想，最有可能突破的就是它的統(tǒng)計解釋，也就是量子力學(xué)的主要任務(wù) —— 描述物質(zhì)波。當(dāng)然這一切需要實(shí)驗(yàn)的支持。由此可見物質(zhì)波對于量子力學(xué)的意義。本文將從量子力學(xué)的建立、體系、含義和物質(zhì)波三方面論述二者的關(guān)系；并且為解決“量子物理論戰(zhàn)”問題做了嘗試。為了論述方便，本文提到的很多實(shí)驗(yàn)僅僅是給出了結(jié)論性描述，如果需要詳細(xì)的資料可以查閱本文的參考資料。 2 2 量子力學(xué)的建立與物質(zhì)波 量子力學(xué)是 20 世紀(jì)最成功的物理理論之一，熟悉它的建立過程對我們更好的理解量子力學(xué)會有很大的幫助。我們將會看到，量子力學(xué)的建立過程就是對物質(zhì)波的認(rèn)識過程。 量子物理的開始 能量量子化的提出 1900 年 12 月 14 日，在德國 物理學(xué)會的一次會議上，普朗克宣讀了他的論文《正常光譜的能量分布理論》。這篇開始幾乎沒人注意的文章因?yàn)槭褂脙?nèi)插法引入了普朗克常數(shù) h，漂亮的解決了 20 世紀(jì)物理學(xué)上空的兩朵烏云中之一 黑體輻射的問題，從而開創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。人們也就把這篇文章發(fā)表的日期看作量子物理學(xué)的誕辰。這篇論文的功績在于普朗克常數(shù) h 的引入表明了黑體空腔壁中起輻射作用的電子的能量是量子化的。 1905 年，愛因斯坦以勒納總結(jié)出的光電效應(yīng)性質(zhì)作為光是粒子的依據(jù)，在普朗克的基礎(chǔ)上注意到輻射在發(fā)射和吸收時所表現(xiàn)的粒子性，在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的 一個啟發(fā)性的觀點(diǎn)》中提出光量子假說：能量在和物質(zhì)相互作用時，不是連續(xù)的，而是集中在光量子上，光量子的能量： hv?? （ 1） 這個假說成功的解釋了光電效應(yīng)。密立根是這樣評價光電效應(yīng)的：“它把普朗克通過研究黑體輻射而發(fā)現(xiàn)的量 h 物質(zhì)化了，并且使我們完全相信，普朗克的著作所依據(jù)的主要物理概念是同現(xiàn)實(shí)相符的。 [2]” 能量量子化的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 1914 年，密立根用實(shí)驗(yàn)完全確認(rèn)了愛因斯坦的光量子理論。 1923 年，康普 頓的X 射線散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了輻射的粒子性；在康普頓的“ X 射線在輕元素上的散射的量子理論”中寫道：“這個實(shí)驗(yàn)非常令人信服的指出，輻射量子確實(shí)既帶有能量，也帶有定向的動量?！? 至此能量的量子化觀念就完全建立起來了。需要說明的是，普朗克、愛因斯坦等人的關(guān)于能量量子化的工作雖然與物質(zhì)波沒有直接聯(lián)系，但是確實(shí)為物質(zhì)波的提出提供了很好的啟示。 3 量子力學(xué)的建立基礎(chǔ) 物質(zhì)波的提出 能量量子化觀念建立以后，考慮到光子和實(shí)物粒子的類比， 1923 年 9 月到 10 月間，德布羅意在《法國科學(xué)院通報》上先后發(fā)
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