冉绍尔德布罗意与物质波.ppt

由物质波理论引发的遐思,洪 连 杰 0410324,现在，经过快一个世纪的研究，物质波的观念已经深入人心，本短文即是对物质波的简单描述和物质波产生过程的一点回顾,一 物质波的基本概念 经典描述：物理学把物质分为两大类，一类是实物，另一类是场光既具有粒子性，又具有波动性，那么我们就提出这样的问题：质子、电子以至原子、分子等实物粒子是否在一定条件下会表现出波动性?德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，波长，其中P是运动物体的动量，h是普朗克常量继而得出两个基本方程：= E/h，= h/p。 关于更多的理论相关，课本中有详细描述，在这里不再赘述,物质波理论的诞生,一、物质波概念形成的基础 随着科学的发展，人们对光的本性有了进一步的认识即从光的干涉、衍射、偏振等现象表现出光的波动性质，而从光电效应等光与物质相互作用的现象中又 表现出光的粒子性这样历时三个多世纪的波动说和微粒说的争论，由光的波粒二象性的观点所代替，为微观粒子波粒二象性的提出打下了坚实的基础,二、物质波概念的孕育时期 德布罗意的物质波概念是逐步形成的，是吸收了其他学者物理思想中的精华，并受到他们工作的许多启发而独创性地建立起来的当时的主要物理学理论有： 第一 1856年、1861年和1865年，英国一个叫麦克斯韦的物理学家发表了他的三篇划时代的论文，建立了电磁学理论，预示了波动时代的来临。自从赫兹用实验证明了电磁波的存在，人们开始更相信光是一种波。从此，波动说在接下来的很长一段日子里占据了优势，而似乎微粒说逐渐退出了历史舞台。 第二 1905年，一位名叫爱因斯坦的瑞士伯尔尼专利局的小职员发表了一篇论文，成功解释了光电效应。然而，人们发现，其中提出了光子的假说。也就是说，只有假设光是一种粒子，才能解释光电效应。但是该理论刚出来就几乎遭受到全世界物理学家的无比刻薄的攻击，仅有少数人表示理解，但并没有很明确的支持者 第三：爱因斯坦借助了普朗克（普朗克提出了能量子假说，指出每个能量子的能量E对应它的频率有个关系：E=h，h是普朗克常数，它等于6.63乘以10的-34次方）的能量子假说，提出了光子的概念。他假设，光是一份份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量为E=h，其中为光的频率。而每个光子的动量为p=h/，为光的波长。这与第二个观点结合起来就有了光的波粒二象性理论。,三、物质波概念的建立过程 其实到这里，德布罗意要做的工作已经很简单了，但是最为难能可贵的就是，他作为一个文学青年，一个历史学研究生，一个半道出家的物理学博士攻读者，他作出了当时分明就摆在眼前却没人敢做得事情，他的整个理论的数学表达就是一个简单得不能再简单的公式： 因为 mc2=E=h， 所以，= mc2/h。 据说，作为一个作为一个上层家庭的高干子弟，作为一个改行不久的文学青年，德布罗意的懒散也是在物理学界里令人叹为观止的，需要攻读五年的博士学位，在写毕业论文的时候他用的只有两片纸，用两片纸来承载这么破天荒地理论，德布罗意很快就引起了全世界的愤怒，他的学说也毫无疑问的被贬得一文不值，然而，正如当初爱因斯坦提出光的粒子性一样，好像真理总是在少数人眼里，当德布罗意的导师朗之万（18721946）将德布罗意的博士论文寄给爱因斯坦时，爱因斯坦大加赞赏，称赞说：“瞧瞧吧，看来疯狂，可 真是站得住脚呢！”并认为他揭开了“自然界巨大面罩的一角”，经过爱因斯坦的推荐，人们才开始重视对物质波的理论研究和实验验证,四、物质波概念的实验验证 物质波理论公布于世之后，就很好的解释了当时物理学上两个令人迷惑不解的实验结果：冉绍尔（C.W.Ramsauer）的电子-原子碰撞实验和戴维森（C.J.Davisson）的电子散射实验。而最后从实验物理学上最终确定其正确性的则是我们都很熟悉的电子衍射实验，1927年英国物理学家JJ汤姆逊之子乔治汤姆逊用高能电子束穿透金属膜，并用照相术记录了电子的衍射花样，测出了电子束波长也与德布罗意关系式的计算值一样，从而有力地证实了物质波的存在,五、物质波概念的发展 德布罗意说：“我们任何时候都不应忘记（科学史证明了这一点），我们认识的每一成就提出的问题，比解决的问题还要多；在认识的领域内，新发现的每一片土地都可使我们推测到，还存在着我们尚未知晓的无边无际的大陆”,经验总结,总结德布罗意的整个研究过程，他的科学方法主要有三条： 一、L.德布罗意找到物质波理论的思路有三条：（1）是源于爱因斯坦19505年关于光量子的论文,以及爱因斯坦后来的一些工作，即光不仅具有能量，而且还具有动量，这已使光具有波粒二象性。2）波尔的量子条件自身直接提示L.德布罗意电子具有波动性。（3）康普敦效应的发现，进一步证实了光具有粒子性。,二L.德布罗意还巧妙地利用了“假说“。正是这个假说，引出了本文中所叙述的一切 三、L.德布罗意在他的研究过程还运用类比的方法。德布罗意通过费马原理与莫泊丢原理地类比暗示了：波动力学与经典力学的关系，类似于波动光学与几何光学的关系，这为后来薛定谔创立波动力学提供了思想方法。,反思,面对这位迅速闯入物理学并迅速为物理学的进展作出杰出贡献的科学家，我们心中充满的是惊讶与从崇敬之情。L.德布罗意给我 们留下了不少科学遗产，除了他的物质波理论之外，还有物理学的思想方法，最重要的应该是他大胆突破旧的理论束缚，基于实验事实成新科学概念，在巧妙地利用 假说，构建新的理论框架的科学创新精神。,在爱因斯坦提出光量自假说以后，许多物理学家仍然只是把它当作修补经典理论的假说而已，并没有意识到光量子的价值，而L.德布罗意则不然，以他特有的 名敏锐，意识到波动性与粒子性后面的深刻本质。并结合自己对x射线地研究以及对前人成果地研究，顶着权威物理学家说他是“异想天开“的压力，大胆地揭开物 质粒子的二象性。他运用的对比法为后来的波动力学提供了重要的思想方法。,作为物理人，皓首穷经固然是一种很高尚的境界，但是，物理学家不是独善