关于德布罗意波的几点讨论

1 德布罗意假想的产生过程

十九世纪末期,物理学理论在当时看起来以发展到相当完善的阶段,一般的物理现象都可以以相应的理论加以解释说明。许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露,剩下的工作只是将这些规律的应用问题。这种把当时物理学的理论认为是最终理论的观点显然是错误的。人们发现新的物理现象,如:黑体辐射能量的分布,光电效应,原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等现象。这些现象用经典物理都难以解释。一部分科学家开始进行新的探索,并很快就有大的发现。

1923年,年仅31岁的德布罗意先后发表的《波和粒子》等三篇论文,和1924年11月他的博士论文《量子论研究》都是关于波粒二象性的.德布罗意说:“在1923年期间,经过一段长时间的独自沉思以后,我突然有了这样一个思想,爱因斯坦在1905年所作的发现应该可以推广到所有的物质粒子,明显地可以推广到电子”。

在《量子论研究》的提要中,他首先说明了他所追求的目标。他说:“光学理论的历史表明科学思想有很长一段徘徊于光的动力说和波动学解说之间,这两种解说毫无疑问并不像人们曾认为的那样是彼此对立的,量子理论的发展似乎证实了这一结论”。

在《量子论研究》的博士论文中,德布罗意详细论述了相波的概念;得出了费马原理应用于相波与牟培尔堆原理应用于粒子是等同的结论;把电子波概念应用于电子的轨道,得到了定态的量子条件,即轨道的周长恰为波长的整数倍;应用相波理论推导出了康普顿公式。

他坚信相波(物质波)产生于任何物体的运动。大至一个行星、一块石头,小至一粒灰尘或一个电子,都能产生相波。相波能在真空中传播,因此它不是机械波。它可以由不带电的物体的运动产生,因此它也不是电磁波。

特别在他博士论文的第七部分,得出了计算物质波的著名的德布罗意波长公式:

在结论中,德布罗意写道:“简言之,我提出了一些或许对促进必要的综合有贡献的新思想。辐射物理学在今天被奇怪地分成两个领域,而且每个领域分别为两种对立的观念——粒子观念和波动观念——所统治。我们所要做的综合就是重新将它们统一起来。”但是相波到底是一种怎样的波,他并没有明确的回答。

2 德布罗意假设的要点及深远意义

德布罗意关于微观粒子波粒二象性(wave-particle dualism)假设的要点是:

1)实物粒子既具有粒子性,又具有波动性,是粒子性和波动性的统一。

2)质量为m的自由粒子以速率v运动时,它的粒子性表现在具有能量E和动量P;

它的波动性表现在具有频率ν和波长λ。德布罗意认为,它们之间满足以下的对应关系:

这种波称为德布罗意波(de-Broglie wave),也叫物质波(matter wave)。

物质波理论的提出并被确认,是件开拓性的工作,具有深远的意义:

(1)是人们对微观客体的认识更深入,更本质,是物理学领域的重大进步,具有里程碑的意义。爱因斯坦曾对德布罗意的理论予以高度评价,认为:“这是对物理学中最难以揭开的奥秘所做的初步解释。”

(2)德布罗意关系式将长期以来被认为性质完全不同的两个物理概念--动量与波长用普郎克常数h有机地联系起来,从而将粒子性与波动性融于同一客体中。

(3)德布罗意物质波的思想为玻尔理论提供了重要的物理解释,利用德布罗意关系式很容易得出玻尔轨道角动量量子化条件。因此,得布罗意波提出后,使玻尔理论有了新的物理内涵,赋予了这个半经典,半量子理论以新的活力。

3 微观粒子不同于经典粒子,也不同于经典波

一种观点认为:微观粒子的粒子性是最基本的,波动性是大量粒子在空间分布形成的一种纵波,即波动性是粒子间相互作用的结果。也有一种观点认为,微观粒子的波动性是最基本的,它是由若干列波组成的一种波包,即粒子性包含于波动性之中。这两种看法都可以由实验来证明其错误性。

对于前者可以用电子单缝衍射实验来说明。先让电子枪发射的电子一个一个地射向单缝:单个电子到达屏上的位置是无规律的;经过足够长的时间后,到达屏上的电子足够多时,积累起来的电子分布呈现为一幅完整的单缝衍射图样。密集的电子束短时间射向单缝,屏上仍然出现与前面相同的衍射图样。由此可见,波动性并不是粒子间相互作用的结果,单个粒子就具有波动性。所以波动性是微观粒子自身固有的属性,微观粒子不同于经典意义上的粒子。

而对于后者以单个电子射向媒质分界面为例说明之。如果电子是波包,那么,由于电子波在介质分界面上的反射和折射,电子将被分裂为反射部分和折射部分,也就是说,从两个方向观察到的只是电子的一部分。但实验中观察到的总是一个个具有一定质量和电荷的电子,从来没有观察到几分之一个电子。

故微观粒子不同于经典粒子,也不同于经典波。

摘要：文章记述了德布罗意假想的产生过程。浅谈了其内容要点和在物理学史上的意义及微观粒子与经典粒子和经典波的不同，及德布罗意的科学思想，并在此基础上进一步对德布罗意独具特色的治学方法作了尝试性的总结。

关键词：物质波,量子,德布罗意,粒子性,波动性，微观粒子