波粒二象性

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波粒二象性（英语：Wave-particle duality）是微观粒子的基本属性之一。指微观粒子有时显示出波动性（这时粒子性不显著），有时又显示出粒子性（这时波动性不显著），在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质。一切微观粒子都具有波粒二象性。

在经典力学中，研究对象总是被明确区分为“纯”波动和“纯”粒子。前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。公元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。公元1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为“一切物质”和光一样都具有波粒二象性。根据这一假说，在“一切物质”的范围之内的电子也会具有干涉和衍射（绕射）等波动现象，这被后来的戴维森-革末实验所证实。

目录

• 1 “波”和“粒子”的数学关系
• 2 历史
  • 2.1 惠更斯和牛顿，早期光理论
  • 2.2 费涅尔、麦克斯韦和杨
  • 2.3 爱因斯坦和光子
  • 2.4 德布罗意
• 3 外部链接

[编辑] “波”和“粒子”的数学关系

物质的粒子性由能量 E 和动量 p 刻画，波的特征则由频率 ν 和波长 λ 表达，这两组物理量由普朗克常数 h 所联系。

[编辑] 历史

在十九世纪末，日臻成熟的原子论逐渐盛行，根据原子理论的看法，物质都是由微小的粒子——原子构成。比如原本被认为是一种流体的电，由约瑟夫·汤姆孙的阴极射线实验证明是由被称为电子的粒子所组成。因此，人们认为大多数的物质是由粒子所组成。而与此同时，波被认为是物质的另一种存在方式。波动论已经被相当深入地研究，包括干涉和衍射等现象。由于光在托马斯·杨的双缝实验中，以及夫琅禾费衍射中所展现的特性，明显地说明它是一种波动。

不过在二十世纪来临之时，这个观点面临了一些挑战。1905年，由阿尔伯特·爱因斯坦研究的光电效应展示了光粒子性的一面。随后，电子衍射被预言和证实了。这又展现了原来被认为是粒子的电子波动性的一面。

这个波与粒子的困扰终于在二十世纪初由量子力学的建立所解决，即所谓波粒二象性。他提供了一个理论框架，使得任何物质在一定的环境下都能够表现出这两种性质。量子力学认为自然界所有的粒子，如光子、电子或是原子，都能用一个微分方程，如薛定谔方程来描述。这个方程的解即为波函数，它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性，即，它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时，波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的机率幅。这样，粒子性和波动性就统一在同一个解释中。

之所以在日常生活中观察不到物体的波动性，是因为他们皆质量太大，导致德布罗意波长比可观察的限度要小很多，因此可能发生波动性质的尺度在日常生活经验范围之外。这也是为什么经典力学能够令人满意地解释“自然现象”。反之，对于基本粒子来说，它们的质量和尺度决定了它们的行为主要是由量子力学所描述的，因而与我们所习惯的图景相差甚远。

[编辑] 惠更斯和牛顿，早期光理论

最早的综合光理论是由克里斯蒂安·惠更斯所发展的，他提出了一个光的波动理论，解释了光波如何形成波前，直线传播。该理论也能很好地解释折射现象。但是，该理论在另一些方面遇见了困难。因而它很快就被艾萨克·牛顿的粒子理论所超越。牛顿认为光是由微小粒子所组成，这样他能够很自然地解释反射现象。并且，他也能稍显麻烦地解释透镜的折射现象，以及通过三棱镜将阳光分解为彩虹。

由于牛顿无与伦比的学术地位，他的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。

[编辑] 费涅尔、麦克斯韦和杨

十九世纪早期由托马斯·杨和奥古斯丁·简·菲涅耳所演示的双缝实验为惠更斯的理论提供了实验依据：这些实验显示，当光穿过网格时，可以观察到一个干涉样式，与水波的干涉行为十分相似。并且，通过这些样式可以计算出光的波长。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在世纪末叶给出了一组方程，揭示了电磁波的性质。而方程得到的结果，电磁波的传播速度就是光速，这使得光作为电磁波的解释被人广泛接受，而惠更斯的理论也得到了重新认可。

[编辑] 爱因斯坦和光子

主条目：光电效应

1905年，爱因斯坦对光电效应提出了一个理论，解决了之前光的波动理论所无法解释的这个实验现象。他引入了光子，一个携带光能的量子的概念。

在光电效应中，人们观察到将一束光线照射在某些金属上会在电路中产生一定的电流。可以推断是光将金属中的电子打出，使得它们流动。然而，人们同时观察到，对于某些材料，即使一束微弱的蓝光也能产生电流，但是无论多么强的红光都无法在其中引出电流。根据波动理论，光强对应于它所携带的能量，因而强光一定能提供更强的能量将电子击出。然而事实与预期的恰巧相反。

爱因斯坦将其解释为量子化效应：电子被光子击出金属，每一个光子都带有一部分能量E，这份能量对应于光的频率ν：

这里h是普朗克常数（6.626 x 10^-34 J s）。光束的颜色决定于光子的频率，而光强则决定于光子的数量。由于量子化效应，每个电子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高频率的光子（蓝光，而非红光）才有能力将电子击出。

爱因斯坦因为他的光电效应理论获得了1921年诺贝尔物理学奖。

[编辑] 德布罗意

主条目：德布罗意波

1924年，路易·德布罗意构造了德布罗意假说，声称所有的物质都有类波的属性。他将这个波长λ和动量p联系为：

这是对爱因斯坦等式的一般化，因为光子的动量为p = E / c（c为真空中的光速），而λ = c / ν。

德布罗意的方程三年后通过两个独立的电子散射实验被证实于电子（具有静止质量）身上。在阿伯丁大学，乔治·佩吉特·汤姆孙将一束电子穿过薄金属片，并且观察到了预期中的干涉样式。在贝尔实验室，克林顿·戴维森和雷斯特·革末将他们的实验电子束穿过一个晶体。

德布罗意于1929年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。汤姆孙和戴维森因为他们的实验工作共享了1937年诺贝尔物理学奖。

[编辑] 外部链接

• 国立交通大学物理系视听教学：量子力学导论。