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1、-对波粒二象性的理解与认识对波粒二象性的理解与认识摘摘 要要: : 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。本文结合所学知识，通过对波粒二象性发展的简单梳理，阐述了目前自己对其的理解与认识。引引 言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
2、一步的了解总结与思考。1. 1.光的波粒二象性光的波粒二象性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。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,不能用光的波动理论解释。这些实验里
3、面最著名的就是光电效应和康普顿效应,。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，对光电效应成功地解释,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。2. 2.物质波物质波1923 年, 德布罗意在光有波粒二象性的启示下, 提出实物粒子也具有波动性的假说。 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。 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
4、的, 所以还只能是一种假说。 1 927 年初, 戴维孙和革末通过电子束在镍单晶体表面上散射的实验，观察到了和X射线衍射类似的电子衍射图像， 首先证实了德布罗意假说的正确性。同年G. P. 汤姆逊用多晶体薄膜做电子衍射实验，也观察到了和X射线衍射类似的电子衍射图像，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。3. 3.波粒二象性的物理
5、意义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,推证了用位置和动量描述微观客体的不确定关系。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
6、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。（5）波粒二象性的统一在电子衍射实验中，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，就没有大量无规则分
7、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. 4.微观粒子波粒二象性的解释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,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
8、浪似的波。 以电子为例,它通过晶体时产生干涉或衍射现象表现出波动性(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，在另一种条件下“摸”出来的“象”是粒子 ,。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。-5.5. 进一步讨论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
9、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方程式相协调的观点, 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
10、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
11、“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。结结 语语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。
12、 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。另一方面,在描述物质基本粒子的状态中,采用波的描述状态中,和物质实体本身的描述吻合。参考文献: 1 褚圣麟. 原子物理学M . 北京: 高等教育出版社, 1979. 2 周世勋. 量子力学教程M . 北京: 高等教育出版社,1979. 3 芶秉聪 胡海云主编大学物理（下册），国防工业出版社，2008.2 4 张永德 量子力学M 北京科学出版社 2002.3 5 郭玉英,王春凤.物理教育研究与改革讲义:73.-
