波粒二象性
波粒二象性(wave-particle duality)指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述,也可以部分地用波的术语来描述。这意味着经典的有关“粒子”与“波”的概念失去了完全描述量子范围内的物理行为的能力。爱因斯坦这样描述这一现象:“好像有时我们必须用一套理论,有时候又必须用另一套理论来描述(这些粒子的行为),有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难,这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实,两种观点单独是无法完全解释光的现象的,但是合在一起便可以。”1波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。1905年,爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年,德布罗意提出“物质波”假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。
2015年瑞士洛桑联邦理工学院科学家成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。
基本信息
- 中文名
波粒二象性
- 外文名
wave-particle duality
- 提出者
- 提出时间
1924年
- 应用学科
物理学
- 适用领域范围
量子力学
基础定义
由于E=hv,这光照射到原子上,其中电子吸收一份能量,从而克服逸出功,逃出原子。电子所具有的动能Ek=hv-W0,W0为电子逃出原子所需的逸出功。这就是爱因斯坦的光电效应方程。
h即普朗克常数用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色,马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于普朗克常数乘以辐射电磁波的频率。
数值约为:h=6.6260693(11)×10-34J·s。[经化简为:h=6.63×10-34J·s。
若以电子伏特(eV)·秒(s)为能量单位则为h=4.13566743(35)×10-15eV·s
普朗克常数的物理单位为能量乘上时间,也可视为动量乘上位移量:{牛顿(N)·米(m)·秒(s)}为角动量单位由于计算角动量时要常用到h/2π这个数,为避免反复写 2π 这个数,因此引用另一个常用的量为约化普朗克常数(reduced Planck constant),有时称为狄拉克常数(Dirac constant),纪念保罗·狄拉克:h(这个h上有一条斜杠)=h/2π约化普朗克常量(又称合理化普朗克常量)是角动量的最小衡量单位。其中 π 为圆周率, h(这个h上有一条斜杠)念为 "h-bar" 。普朗克常数用以描述量子化,微观下的粒子,例如电子及光子,在一确定的物理性质下具有一连续范围内的可能数值。例如,一束具有固定频率 ν 的光,其能量 E 可为:有时使用角频率 ω=2πν :许多物理量可以量子化。譬如角动量量子化。 J 为一个具有旋转不变量的系统全部的角动量, Jz 为沿某特定方向上所测得的角动量。其值:因此, 可称为 "角动量量子"。
普朗克常数也使用于海森堡不确定原理。在位移测量上的不确定量(标准差) Δx ,和同方向在动量测量上的不确定量 Δp,有一定关系。还有其他组物理测量量依循这样的关系,例如能量和时间。2
应用举例
惠更斯、牛顿
按照惠更斯原理,波的直线传播与球面传播。
较为完全的光理论最早是由克里斯蒂安·惠更斯发展成型,他提出了一种光波动说。使用这理论,他能够解释光波如何因相互干涉而形成波前,在波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源,而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。从他的原理,可以给出波的直线传播与球面传播的定性解释,并且推导出反射定律与折射定律,但是他并不能解释,为什么当光波遇到边缘、孔径或狭缝时,会偏离直线传播,即衍射效应。惠更斯假定次波只会朝前方传播,而不会朝后方传播。他并没有解释为什么会发生这种物理行为。稍后,艾萨克·牛顿提出了光微粒说。他认为光是由非常奥妙的微粒组成,遵守运动定律。这可以合理解释光的直线传播和反射性质。但是,对于光的折射与衍射性质,牛顿的解释并不很令人满意,他遭遇到了较大的困难。
由于牛顿无与伦比的学术地位,他的粒子理论在一个多世纪内无人敢于挑战,而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。直到十九世纪初衍射现象被发现,光的波动理论才重新得到承认。而光的波动性与粒子性的争论从未平息。3
杨、菲涅尔、麦克斯韦、赫兹
在双缝实验里,从光源传播出来的相干光束,照射在一块刻有两条狭缝的不透明挡板 。在挡板的后面,摆设了摄影胶卷或某种侦测屏 ,用来纪录到达 的任何位置 的光束。最右边黑白相间的条纹,显示出光束在侦测屏的干涉图样。
十九世纪早期,托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳分别做出重大贡献。托马斯·杨完成的双缝实验显示出,衍射光波遵守叠加原理,这是牛顿的光微粒说无法预测的一种波动行为。这实验确切地证实了光的波动性质。奥古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理,在惠更斯原理的基础上假定次波与次波之间会彼此发生干涉,又假定次波的波幅与方向有关。惠更斯-菲涅耳原理能够解释光波的朝前方传播与衍射现象。光波动说并没有立刻取代光微粒说。但是,到了十九世纪中期,光波动说开始主导科学思潮,因为它能够说明偏振现象的机制,这是光微粒说所不能够的。
同世纪后期,詹姆斯·麦克斯韦将电磁学的理论加以整合,提出麦克斯韦方程组。这方程组能够分析电磁学的种种现象。从这方程组,他推导出电磁波方程。应用电磁波方程计算获得的电磁波波速等于做实验测量到的光波速度。麦克斯韦于是猜测光波就是电磁波。电磁学和光学因此联结成统一理论。1888年,海因里希·赫兹做实验发射并接收到麦克斯韦预言的电磁波,证实麦克斯韦的猜测正确无误。从这时,光波动说开始被广泛认可。3
普朗克黑体辐射定律
1901年,马克斯·普朗克发表了一份研究报告,他对于黑体在平衡状况的发射光波频谱的预测,完全符合实验数据。在这份报告里,他做出特别数学假说,将谐振子(组成黑体墙壁表面的原子)所发射或吸收的电磁辐射能量加以量子化,他称呼这种离散能量为量子。
其中,h是离散能量, 是普朗克常数。