量子力學(xué)和物質(zhì)波(已修改)
2025-09-15 21:24 本頁(yè)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(guò)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(guò)程出發(fā)，對(duì)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(guò)程就是對(duì)物質(zhì)波的認(rèn)識(shí)過(guò)程；量子力學(xué)的框架就是圍繞粒子的波動(dòng)性（波函數(shù)）來(lái)完成的；量子力學(xué)的含義就是給物質(zhì)波一個(gè)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(lèi)號(hào)： O4 1 引言 量子力學(xué)是關(guān)于微觀粒子運(yùn)動(dòng)的一門(mén)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(dòng)規(guī)律類(lèi)似于波的運(yùn)動(dòng)；而微觀粒子在被一些實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量時(shí)又體現(xiàn)經(jīng)典粒子的性質(zhì)，如，具有動(dòng)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(duì)量子力學(xué)仍有疑問(wèn)，但是它的成功已經(jīng)被無(wú)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(wú)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(jì)解釋?zhuān)簿褪橇孔恿W(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(jiàn)物質(zhì)波對(duì)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(wèn)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(guò)程對(duì)我們更好的理解量子力學(xué)會(huì)有很大的幫助。我們將會(huì)看到，量子力學(xué)的建立過(guò)程就是對(duì)物質(zhì)波的認(rèn)識(shí)過(guò)程。 量子物理的開(kāi)始 能量量子化的提出 1900 年 12 月 14 日，在德國(guó) 物理學(xué)會(huì)的一次會(huì)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(kāi)始幾乎沒(méi)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(wèn)題，從而開(kāi)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(jī)?cè)谟谄绽士顺?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(ài)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(shí)所表現(xiàn)的粒子性，在《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的 一個(gè)啟發(fā)性的觀點(diǎn)》中提出光量子假說(shuō)：能量在和物質(zhì)相互作用時(shí)，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(gè)假說(shuō)成功的解釋了光電效應(yīng)。密立根是這樣評(píng)價(jià)光電效應(yīng)的：“它把普朗克通過(guò)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(ài)因斯坦的光量子理論。 1923 年，康普 頓的X 射線(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了輻射的粒子性；在康普頓的“ X 射線(xiàn)在輕元素上的散射的量子理論”中寫(xiě)道：“這個(gè)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(dòng)量。” 至此能量的量子化觀念就完全建立起來(lái)了。需要說(shuō)明的是，普朗克、愛(ài)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(méi)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(lèi)比， 1923 年 9 月到 10 月間，德布羅意在《法國(guó)科學(xué)院通報(bào)》上先后發(fā)
公司管理相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1