对波粒二象性的理解与认识

1、对波粒二象性的理解与认识班级:姓名：f 学号：f指导教师：ff摘 要：光的波粒二象性被发现之后，德布罗意由此得到启发，大胆地把这二象性 推广到物质客体上去，提出了实物粒子也具有波粒二象性的理论。关键词：波动学说微粒物质波波粒二相性孤立子引言：量子论和相对论是近代物理学的两大支柱，两者都改变了人们对物质 世界的根本认识并对20世纪的科学技术、生产实践起到了决定性的推 动作用。相对论以相对时空观取代源于常识的绝对空观，量子力学则 用以物质粒子的波粒二象性为基础的概率来描述物质粒子的行为，使物质粒子的行为具有了神秘的不确定性。经过课本上的知识的学习， 我进行了进一步的了解总结与思考。1光的波粒二象性

2、光究竟是粒子还是波？这个问题涉及对光的本性的不同认识。1672年,牛顿向英国皇家学会递交了一篇 关于光和色的新理论的论文。他认为光是由许多机 械微粒组成的，提出了光的微粒说。由于牛顿的德高望重，除了一些微弱的反对声 音以外，这种观点一直持续到19世纪。19世纪托马斯扬和其他一些人决定性的 证明了，光的粒子理论是错误的。他们认为，光更应该是一种波。关于波，我们熟 悉的一种特性是，干涉,托马斯扬利用他的著名的，双缝，实验装置制造出两个光 波源，并观察到光也有类似的干涉图案。这样，在19世纪下半叶 光的波动说占了统治地位。但是，没有过多久,19世纪末进行的一些实验，发现了一些新的实验现象，不能 用光

3、的波动理论解释。这些实验里面最著名的就是所谓的，光电效应，。而爱因斯坦在普朗克的量子假说基础上提出的光量子假说对，光电效应，的成功解释，又复兴了以前的光的粒子论。但这一次并没有否定波动说，而是由此得出了光的波粒 二象性的结论。即把光的微粒说和波动说这两种对立的学说一起融入到光的本性 理论之中。但是，它的出现却使经典物理学面临着，光的波粒二象性，悖论的挑战。 因为在经典物理学中，波和粒子是两个对立的互不相容的概念。一种物质不可能 既是粒子又是波，二者是尖锐地矛盾着的。光有时是波，有时又必须是粒子，在经 典物理学中这种矛盾是无法容纳的。显然 ，这个悖论在经典物理学中是无法得到 解决的。光的本质是量

4、子力学的。即光不仅具有波动性，同时也具有粒子性。在量子力学中，光子所具有的波动性和粒子性不是对立的，而是统一的，光子说指出光子的能量E=hv，式中频率v就是波动的特征。理论和实验告诉我们，光在传播 过程中，主要表现为波动性；当光与物质相互作用时，主要表现为粒子性。大量光子 表现出来的是波动性，少量光子表现出来的是粒子性。但这里必须注意的是，光既 不是经典的机械波，也不是经典的实物粒子，更不是两者的混合。我们了解光的波 粒二象性，是认识微观粒子特殊规律的开始。进一步研究指出，不仅光具有波粒二 象性，电子、原子等一切微观粒子也都具有波粒二象性。2物质波,提出微观粒子也譚LV.1924年，德布罗意（

5、deBroglie ）在光有波粒二象性的启示下 具有波粒二象性的假说。他认为十九世纪在对光的研究上，重视了光的波动性而 忽略了光的微粒性，但在对实体的研究上，则可能发生了相反的情况，即过分重 视实体的粒子性而忽略了实体的波动性。因此，1924年德布罗意向巴黎大学提交 了他的博士论文量子理论的研究，指出所有粒子都具有波动性。德布罗意认 为，任何运动着的物体都伴随着一种波动，而且不可能将物体的运动和波的传播 分开，这种波称为相位波。存在相位波是物体的能量和动量同时满足量子条件和 相对论关系的必然结果以狭义相对论原理和严格的量子关系式为基础，德布罗意通过 严格论征得到：相位波的波长是普朗克常数，是相

6、对论动量，这就 是著名的德布罗意波长与动量的关系。此外，德布罗意把相位波的 相速度和群速度（能量传递的速度）联系起来，证明了波的群速度 等于粒子速度，确定了群速度与粒子速度的等同性。后来薛定愕解 释波函数的物理意义时称为，物质波,。（）德布罗意的物质波理论是在没有得到任何已知事实支持的情况下提出来的，所以还只能是一种假说,1 927年初，戴维孙（Davisson ）和革末（Gerner）通过实验证实了德布罗意假 说的正确性，在镍晶体对电子的衍射实验中，有19个事例可以用来验证波长和 动量之间的关系，而且每次都在测量精确度范围内证明了德布罗意公式的正确 性。戴维孙实验所用电子束的电子能量很低,仅

7、有50 - 600电子伏特。同年G. P. 汤姆逊用较高能量的电子做了晶体对电子束衍射的实验，他让电子能量为1 00 0-80 00电子伏特的电子束垂直射入赛玛哈、金、铂或铝等薄膜上,观测产生的衍射图样。实验观测和由德布罗意理论得到的结果非常一致，这充分证明了电子具 有波动性，再一次用无可辩驳的事实向人们展示了德布罗意理论是正确的。以后，人们通过实验又观察到原子、分子等微观粒子都具有波动性。实验证 明了物质具有波粒二象性，不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的,而且为物质波理论奠定了坚实基础。对于实物粒子波动性的解释，是1926年玻恩提出概率波的概念而得到一致公认的。 至于个别粒子在何处

8、出现，有一定的偶 然性；但是大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。物质波的这种统计性解释把粒子的波动性和粒子性正确地联系起来了，成为量子力学的基本观点之一。德布罗意成为了物质波理论的创始人，量子力学的奠基人。1929年，凭借他的那篇博士论文，德布罗意获得了诺贝尔物理学奖。3波粒二象性的物理意义（1）波长是物质波的特征量由验证实验所得到的干涉衍射图样与 x射线、光波对应的干涉&衍射图样的相似性，充分说明了微观客体具有波动性。 测得的波长与理论计算相符，说明德布罗意公式是正确的，且波长是描述物质波的特征量。2）不确定关系早先，人们曾用假想的电子单缝衍射实验，推证了用位 置和

9、动量描述微观客体的不正确关系。1961年约恩逊完成 的电子单缝衍射实验，把假想变成了现实。这相当于从实 验上验证了不确定关系的正确性，同时说明了单个电子的 行为是无法测知的，故不能用位矢和动量作为基本物理量 来描述微观客体的运动状态（3）粒子性与物质作用时显示在干涉、衍射实验的观察屏上或用探测器测量， 得到的微观客体总是以一 个整体出现在空间的一个局域范围内，且具有微观客体的整体质量、动量、能量、 电量等，这表明微观客体与物质作用时表现出粒子性。（4）传播过程具有波动性让一个一个单电子通过双缝，最终能在观察屏上得到干涉图样，表明微观客体在传播过程中具有波动性，且微观客体的干涉是自己与自己的干涉

10、。（5）波粒二象性的统一攥臧 手曲宴捡违蓬一云菲宝在电子衍射实验中，单电子一次入射，在屏上只能得到一个点，绝不能得到任 何衍射图样。单电子的多次入射，屏上无规分布 点的集合将展现出有规则分布的衍射图样， 且 与大量电子短时间入射的图样相同，说明微观客 体的波&粒二象性服从统计规律，没有单电子的 波动性和相干性，就没有大量无规分布的粒子性 所表现出的衍射图样，而统计解释，则把波粒 二象性融合到同一微观客体中。4微观粒子波粒二象性的解释微观粒子既具有波的特性，又具有粒子的特 性,那么微观粒子究竟是什么呢 ？如何理解微观 粒子的波粒二象性呢？首先，让我们以对月亮的认识为例作个类比。月初时 ，

11、月亮看来像是钩子；月圆 时月亮看来像是盘子。其实，它既不是钩子也不是盘子，而是像地球一样的球体。 这一点直到”阿波罗”号载人飞船成功登月以后才得到了确认。可见，在没有找到 恰当的概念去理解新现象时，人们总希望借助旧有的概念去描述它，因而往往难以 描述得很确切。对微观粒子的认识也是一样：它既不是 弹丸，似的粒子 也不是,波浪，似的波。以 电子为例，它通过晶体时产生干涉或衍射现象一一表现出波动性 （即叠加性）；而 当它通过威尔逊云室时又留下径迹一一表现出粒子性（即整体性）。这就是说，人 们要认识肉眼看不到的微观粒子，只能像，瞎子摸象，一样用仪器去，摸,:在某种条件 下,，摸,出来的，象，是，波,；

12、在另一种条件下，摸,出来的，象，是，粒子,0微观粒子是新 东西,用旧概念去反映它必然会感到蹩扭，这是不足为奇的。但是，科学毕竟是严谨 的、客观的。研究表明：微观粒子既不是经典的波，也不是经典的粒子，它是具有波 动和粒子双重特性的第三种客体，是波粒二象性的矛盾统一体。5进一步讨论按现代的量子力学的理解，什么是电子，电子的状态是由薛定谔方程或狄拉 克方程的解描述的，除此之外，不需要别的什么画蛇添足式的解释按照今天最 广泛的持有并且同已建立起来的量子力学数学程式相协调的观点，一个电子是一件抽象的事物，它不再能够使用日常经验所熟悉的样子去直觉地理解，而是要 通过运用数学算符，可观察量和态等形式上的步骤

13、去确定的。把电子或者光子当作微粒的描述，会产生许多难以避免的困难我们常常看 到的,在双缝衍射里一个粒子同时穿过两条狭缝 ，或者说它有一部分穿过一条狭 缝，另一部分穿过另一条狭缝的各种说法，从根本上说来都是不对的我们当然可 以说清楚光（电磁场）是怎么穿过双缝衍射装置的，它是以相干态的形式穿过的然 而，相干态的光子数十分不确定的，所以我们不能够使用光子的语言去说明这种 过程在美国马里兰大学的一个实验组，成功地做了一系列精心设计的量子光学 实验，企图表明量子力学的基本观念遇到了新的困难.但是，他们所说的解释上的困难，都是运用光子语言时遇到的困难.即这一类实验，本来就不适宜于运用光 子语言去描述.撇开

14、光子语言,运用以有关态函数为基础的正确描述方式，这些实 验现象的解释，就完全不存在什么困难了。同样，把电子或者中子看作波动，也会产生解释上的困难最后一个例子，2002 年发表的对一个中子反弹实验的解释里，把薛定谔方程的定态解混同于经典物 理学里的驻波，由此产生了一些不应有的误解.例如，有的评论里竟说“当粒子的 运动受到限制，根据量子力学原理，物质的波动性质会导致相长和相消干涉构成了 量子化的起源”等等实际上，量子力学的基本原理里面根本没有“物质的波动性 质”这一观点，只有薛定谔方程的解才是基本的；一切有关讨论必须以薛定谔方程 为基础，不应当随意添加一些从经典物理学或者早期量子论里搬来的论据.正

15、如费曼所说:每一样东西都既像这个，又像那个.所谓“二象性”，不过是反映了在量子 力学的建立之前那一段混乱时期的困惑心理，有了薛定谔方程，就对电子的行为给 出了恰当而精确的描述不应当再用微粒或者波动之类的经典物理的概念去理 解它们。6孤立子理论的解释人们对物质波粒二象性的认识有一种倾向 ，认为物质粒子本质上是粒子，只是 这种粒子带有波动性。人们的“物质粒子的波粒二象性”这种提法，就有意无意地隐含了这种思想。而对孤立子的认识却又有另一种倾向，即认为孤立子本身是波，但这种波因保持形状不变而具有粒子性。正是基于这样的认识，使人们已经认识到物质粒子和孤立子具有惊人的相似性。如果换一个角度来看孤立子和物质

16、粒 子的相似性，来研究为什么孤立子和物质粒子都具有波粒二象性，一切问题便迎刃 而解。物质粒子并不是经典意义上的没有内部结构的“颗粒”，也不是其小无内的点粒子，物质粒子在本质上就是真空中的孤立子，或者说是真空中的孤立波。广 义相对论表明，真空是可以变形的，引力场实际上就是一种不均匀的时空变形 ，引 力场中的真空发生了不均匀的变形，时间的流逝也不均匀了。而且，真空的这种不 均匀变形也可以在真空中传播，从而形成引力波。物质粒子实质上就是真空中的 引力波由于其非线性和色散性的共同作用而形成的真空孤立波，或者说真空孤立子。结语：认识到物质粒子就是真空中的孤立子，物质粒子的波粒二象性就很容易 理解了。物质粒子所以具有波动性，是因为物质粒子本身就是真空中的 一种波。而所以物质粒子或者说真空中的这种波具有粒子性 ，是因为这 种波由于其非线性和色散性的共同作用聚集在一起而不散开，从而形 成稳定的“波包”，表现出粒子性。波粒二象性已经成为物理学中关于 微观物质的基本属性之一。对物质这样的两种描述归于一体，存在如下 两种原因；一种是我们不能放弃物质的实体性，即粒子的特性。另一