对波粒二象性的理解与认识.docx

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1、对波粒二象性的理解与认识董贤奎，201801014529,计科185,联系方式：13271596843摘要：波粒二象性是所有的微观粒子的最根本的性质的一种，微观粒子不仅仅是有波动性，同时还有粒子性，在不同的外界条件下微观粒子会表现出波动性和粒子性的其中一种，波粒二象性是所有的微观粒子都会具备的性质。波粒二象性是在物理学史上研究量子力学所有理论中的重要里程碑式的理论，具有非常重要的的意义。爱因斯坦在长期研究光粒子的过程中发现了光电效应,光电效应能够用来完美的解释光具有波粒二象性。之后德布罗意也在研究、实验后提出了“物质波的假说，认为波粒二象性是所有的微观粒子包括光都会具有的基本性质，后来被电子衍

2、射实验证实这一结论是正确的。关键词：波粒二象性(Wave-partic1edua1ity),粒子性(Partic1e)波动性(Vo1ati1ity)0引言以前，人们一直认为光是由一种特殊的物质构成的，它是人们所认知的所有物质只最小的物质。为了对光的本质作出根本性的定性，所以在对光科学的研究和探索中，物理学家们前赴后继的投入研究中，探究光的本质是一束粒子还是波。直到19世纪中叶，光的波动说成为主流学说，碾压光的粒子说。使得光的波动性根基不稳的原因是，1887年德国科学家赫兹发现了光电效应。18年后，也就是1905年爱因斯坦通过研究提出了光的量子学说和正确的光电效应解释,非常完美的解释了光的波粒二

3、象性,至此这场世纪大战有了科学的解释。光是一种波又是一种粒子。1波粒二象性1.1 波动性光的干涉和衍射现象是光的波动性的例子的具体表现。光的干涉是指在空间中两列或多列光波在相遇后会进行叠加，在某段空间中光的强度会不断的加强，在另一些区域内会不断减小，这样会观察到稳定的光波内强弱差异非常明显。能产生干涉现象的光叫相干光。光的相干条件是要求光的频率相同、振动方向相同(或存在相互平行的振动分量）、并且具有恒定的相位差。干涉现象是光的波动性的特殊表现，假设光是一种波，那么就一定会发生光的干涉现象（图表1）。图表2光的干涉图样衍射现象是一切波所具有的共同性质。当波遇到障碍物时，传播方向会发生偏转，而继续

4、前行的现象称为衍射现象。光波的这种现象称为光的衍射。但是根据光的叠加原理可以知道，由于稍有偏离直线传播的光波在叠加之后是相互抵消的，因此在近似的情况下，可以认为光是直线传播的。然而近似是有条件的,那就是传播过程中没有障碍物或者障碍物的边缘影响小得可以忽略。如果光在小孔或狭缝等障碍物的边缘附近通过时,则直线传播的规律不再成立了，此时光的行射现象就十分明显了。1.2 粒子性光电效应是的就是指一束光特别是紫外光照射在金属的表面上时，会有电子从金属的表面逸出的现象。通过实验，光电子的能量大小只与照射光的频率成正比，而跟照射光的强度大小没有关系。如果只增加光的强度，光电子所具有的能量不会增加，只会增加逸

5、出的光电子的多少。在光电效应中，光子投射到金属中某一个电子时，便能把全部能量hv传递给电子时其逸出。A是逸出功，不同的金属材料以及不同的清洁程度，A的大小也不同，但是它与光的频率无关，只是代表金属材料特征的物理量。设电子逸出时需克服阻力做功A,则逸出后的电子应具有动能:mv2=hV-A2从上面的式子可以看出，光电子的能量的大小只与照射光的频率V成正比，与照射光的强度大小没有关系。增加光的强度，只有光子的数目变化，其结果只能增加光电子的数目，上述的结论与实验结果完全符合。同时可以看出当照射过来的光的频率小于AZh时，不论光有多强，照射的时间是多少，都不会有逸出电子。2波粒二象性的意义波长是物质波

6、的特征量。实验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，说明微观客体具有波动性。测量所得的波长数据与理论计算所得相符，说明德布罗意公式的正确性，而且波长是描述物质波的特征量。不确定关系。约翰逊在1961年完成了电子单缝衍射实验，证实了不确定关系的正确。单个电子的行动路径是没有办法测量得到的，不能用位矢和动量作为基本物理量进行描述微观客体的运动状态。在进行干涉和衍射实验时，或者使用探测器进行探测时，我们所观察到的微观客体在一定的空间的范围内都是以整体的形式出现，并且具有动量、能量和质量等物理特征，表明微观客体在与物质作用时就会表现出粒子性。使单个电子通过双缝障碍物，在观察观察屏

7、时依然可以看到干涉图样，说明微观客体在传播过程中具有波动性。波粒二象性打破了经典理论的固执观念，实现了光的波动性和粒子性的统一性，在研究过程中大量使用对应原理、类比方法等新的物理学研究方法，同时使用了数学方法。3波粒二象性的后期成果1920年波尔在长期的研究实验后提出了对应原理。1925年海森堡利用对应原理的知识创建了自己的矩阵力学，并提出基础理论。一年后物理学家薛定月通过研究德布罗意物质波假说，加入波函数，创出了薛定谭方程，建立自己的学说一一波动力学。1926年汤姆逊在一次偶然的机会下，观察到电子束在通过金箱时可以观看到圆形条纹，证明了德布罗意物质波的真实性。德布罗意物质波理论存在，促进了人

8、们对世界物质和微观粒子的统一性的认识，揭示了物质世界具有普遍性原理，加快了学者们对于原子世界的研窕。薛定潜就是在物质波的理论基础上进行研究，发现了波动方程，创立了波动力学。德布罗意公式：光子所具有的能量、动能为E=hv=h上面的式子可以看做是描写光子具有二象性的表达式。E为能量、P为动量，都表示的是粒子型的物理量，波长入和频率V表示的是波动性的物理量。上述式子表现了波动性和粒子性之间的关系。德布罗意认为：一个自由粒子，它的动量为P、能量为E,并且相对应一段频率为V和波长为人的平面单色波，那么它们两者之间的关联就好像是光子与光波之间的关系一样，即E=hv=hhp=-n=hk上述的依照德布罗意的假

9、设，如果粒子的动量为p=mv,那么平面单色波的波长是hhA=-=pmv这就是德布罗意波或物质波。4总结波粒二象性是物理学中关于一切粒子的基本性质，也是量子力学的主要组成部分是研究光的本质的重要手段。波粒二象性囊括了光的波动性与粒子性，由于光子它本身就是一种波,所以它具有波动性；又因为光子本身具有的非线性和散射性的特征，所以会导致光子聚在一起却不会分开，形成比较稳定的“波包”，表现出粒子性。在研究波粒二象性的过程中大量的科学家投入进来，使得研究理论大量出现，为正确的理论打下了基础，各种研究方法也被运用到了实验当中去。对于之后量子力学和波动力学的研究奠定了坚实的基础。参考文献I宝强,并协原理和对应

10、原理EB2程阳，“光电效应”教学中几个问题小议J,20173魏红艳,仙、Cu、u在同步辐射光激发下的光电子能酒文院分析D,2012Understandingandunderstandingofwavepartic1edipicnessDongXiankuiAbstract:Wavepartic1edipicnessisoneofthemostfundamenta1propertiesofa11microscopicpartic1es,whicharenotjustvo1ati1e,Atthesametime,thereispartic1enature,underdifferentexterna

11、1conditions,micropartic1esexhibitvo1ati1ityandpartic1enatureoneofthetwo,wavepartic1edi1ikeisA11microscopicpartic1eswi11haveproperties.Wavepartic1edipicnessisanimportantmi1estoneinthestudyofquantummechanicsinthehistoryofphysics.,hasaveryimportantsignificance.Einstein,inhis1ong-termstudyof1ightpartic1

12、es,discoveredthephotoe1ectriceffect,whichcanbeusedPerfectinterpretation1ighthaswavepartic1edua1ity.Afterthat,DeBroea1soputforwardthehypothesisofmateria1waveafterresearchandexperiments,whichho1dsthatthewavegraindipo1eisthata11microscopicpartic1es,inc1uding1ight,wi11haveafundamenta1nature,whichwas1aterconfirmedbye1ectrondiffractionexperiments.Thisconc1usioniscorrect.Keywords:Wave-partic1edua1ity,partic1esex,vo1ati1ity