对波粒二象性的理解与认识.doc

黑龙江科技学院大学物理素质教育小 论 文（2010-2011第1学期）对波粒二象性的理解与认识姓 名 王 添 班 级 环境09-01学 号 06 指导教师 任常愚 2010年11月对波粒二象性的理解与认识资料整理：王添（资环学院 环境09-01）摘要：光和微观粒子具有二象性这一不可否认的事实早已为人们普遍接受，但在对二象性的理解上却存着很多的疑虑和矛盾。本文从对波粒二象性的基本概念出发，来加深对光和微观观粒子二象性的认识。关键词：波动性 ; 粒子性; 波粒二象性物质世界是由什么组成的,其最小的组成单元是什么,这些“单元”或“微粒”具有什么特点,一直是古往今来人们十分感兴趣的问题。早在我国战国时期,哲学家公孙权就曾说过:“一尺之棰,日取其半,万世不竭。”人们在不断地“切割木棍”的过程中逐渐进入了微观领域,并用在上世纪建立起来的、被誉为20世纪物理学两大支柱之一的量子力学来反映微观粒子特有的运动规律。微观粒子的波粒二象性就是量子力学中最基本、最重要、也是最具创新性的概念之一。对它的理解是一件既让人着迷又略感困惑的事情。一、波动性与粒子性在光的传播过程中，由于干涉和衍射等现象的存在，证实了光具有波动性，麦克斯韦在这个基础上建立了光的电磁说，认为光是具有一定频率与波长的电磁波。在光与物质的相作用中，由于光电效应黑体辐射、康普顿效应等现象的存在，爱因斯坦提出了光子学说，认为光是具有一定能量（E=hv）和动量(P = h/)的粒子光子。因此，光既表现出波动性又表现出粒子性，称为光具有波粒二象性。 在经典力学中波和粒子是两个完全不同的概念，一个客体怎样既表现出波动性又表现出粒子性呢?要知道没有任何一个宏观物体既具有波动性又具有粒子性。那么我们应该怎样正确理解光的波粒二象性呢?这个问题只有通过量子理论才能得到比较全面的解释。量子理论在研究微观现象时，对微观粒子的波粒二象性作了全面解释，对于光子这样的微观粒子，只有从波粒二象性出发，才能说明它的各种行为。 对于光的粒子性(简称光子)的理解，与宏观力学中的“小球”，或“粒子”是不同的。确切地说，光子是微观粒子，它服从容观世界的规律量子力学，而不服从牛顿力学的规律，光子流不是一群遵从经典力学规律的粒子。光波也不是经典意义下的波，因为经典意义下的机械波，它在媒质中的能量传播是连续的，当它和物质相互作用时能量的变化也必将是连续的，而光与物质作用时，能量，动量等都是以光子为分立单元而整个作用和变化的。是不连续的，所以说光既不是经典意义下粒子的集合，也不是经典意义下的波，只是为了形象地说明光的性质，才部分地引用了波和粒子的部分(而不是全部)特点。在理解时，粒子性方面，可认为光是以光子为分立单元，有集中的能量，质量和动量，在波动方面，可认为大量光子在传播过程中，不同光子在某一定的地点和某一定的时间内出现的几率不同，大量光子的集休行为具有类似于波的规律。例如:在光的干涉现象中，干涉条纹是由数目很多的光子一个一个地落在不同地点的结果，当光子到达某处的几率大，即相应地到达该处的光子数目多，出现较亮条纹;当光子到达某处的几率小，则到达该处光子数目少，出现暗条纹，所以说大量光子的传播规律休现出波动性;个别光子的行为体现出粒子性。因此，光具有二象性。二、波粒二象性的描述光和微观粒子具有波粒二象性这一事实，是量子物理建立的一个重要基础。但将这二重性在同一粒子上统一起来，进行恰当的描述，在量子力学发展的不同阶段是不相同的。（一）旧量子论时期在旧量子论时期，人们知道了光和实物粒子同时具有波动性和粒子性，但这种二象性并没有得到统一描述。事实上光和实物粒子的波动性和粒子性，是在不同领域得到肯定的，玻尔企图将微观粒子的二象性在氢原子的理论中作统一描述，可是没有成功，他以量子化条件的形式引入能量的粒子性，而没有同时显示出波动性。因此，这种方法成了量子化条件与经典理论的结合，不可能使微观粒子的二象性得到统一描述。（二）非相对论量子力学时期非相对论量子力学在微观粒子的波粒二象性的描述上有了进一步发展。它不仅承认德布罗意关系使粒子的物理量和波动的物理量之间有一定的联系，并且把具有波动性的粒子的运动，用波函数小来描述，这个状态函数满足薛定谔方程: 这里充分地注意到了微观粒子的波动性描述。由此看到，在非相对论量子力学中，波粒二象性的统一描述，更进一步表现的对波函数的几率解释上，就是说，微观粒子在空间的分布几率，完全决定于描写粒子的波函数，即: 此方程是粒子在空间分布的几率密度，它表明粒子在空间出现的随机性与粒子的波动性相联系。但这里的统一仍然是形式上的，仅在空间分布上描写的统一，是非本质的。并且只对实物粒子的描述有效，对光子的状态无法描写。（三）相对论量子力学时期相对论量子力学在非相对论量子力学的基础上又进了一步。虽然它还是用波函数和波动方程去描写微观粒子的波粒二象性，但是，相对论量子力学把粒子分为两类来描述，即玻色子和费米子。而且分别满足克莱因戈登方程和狄拉克方程。相对论量子力学的这两种描述与前者比较，它的描述与粒子更多的性质(如自旋等)直接联系，更重要的是它意味着可以对电磁场进行描写的可能性。因为光子是静质量为零的玻色子。但是，相对论量子力学，也没有将微观粒子的波粒二象性作本质上的统一描写。因为波函数仍是描写粒子在空间分布的一个分布函数，而不能完全描述粒子的各种特性。（四）量子场论时期量子场的概念是狄拉克在处理电磁场和电子场的量子化时引入的。即各种微观粒子都对应着一种存在的场，利用场的激发产生粒子，激发的消失，粒子也消失。不同场之间发生相互作用时，可以得到不同粒子间的相互转换。通过此理论就可以将本来为连续分布的量子场，通过量子化处理后得到量子化的结果，还可以获得总角动量的量子化结果。可见，量子场论对微观粒子二象性的描述与相对论量子力学的描述有本质的区别，在于不把解释为空间分布函数，而是定义为描述客观存在的量子场的场函数，对场函数的量子化即可得出所对应场的量子化。因此，量子场论将波粒二象性统一到场与它的量子化之上。