量子力学基础1

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1、德布罗意1923年，法国物理学家路易斯·德布罗意（LouisVictorDeBroglie,1892～1987）在权威的英国《哲学研究》杂志上发表论文，提出了物质波的概念和理论，把量子论发展到一个新的高度。德布罗意本来是学历史的，他从大学毕业后，却没有在历史学领域进行更多的研究，因为他的兴趣已经强烈地转向物理方面。德布罗意家族的历史悠久，家族继承着最高世袭身份的头衔：公爵(王子的爵号)他的哥哥，莫里斯.德布罗意是一位著名的射线物理学家，参加了1911年的布鲁塞尔物理会议(女巫盛宴)，将会上关于量子理论激烈的争论告诉了德布罗意。德布罗意对科学的热情被完全地激发出来，并立志把一生奉献

2、给这一令人激动的事业。1德布罗意刚下定决心开始对理论物理的研究，不久，第一次世界大战(1914—1918年)就爆发了，他便服兵役上了前线，被分派了一个无线电技术人员的工作。德布罗意思路一开立即拓出一片新的天地。1923年他接连发表三篇论文，提出“物质波”的新概念。直到1922年他才重回哥哥的实验室继续中断许久的研究。在长期思考后，他渐渐地生成了一个大胆的思想：爱因斯坦的光量子理论应该推广到一切物质粒子、特别是电子。21924年，他写出博士论文《关于量子理论的研究》，更系统地阐述了物质波理论。可以说是当时物理学界一个独一无二的新观点，许多人看了文章都摇头，德布罗意的导师朗之万也不相

3、信这种观念，只不过觉得这篇论文写得很有才华，才让他得到博士学位。朗之万对这件事总是不放心，也不知他的这个学生到底该算是个才子还是个疯子，便将论文稿寄给爱因斯坦审阅。爱因斯坦真不愧为一个理论物理大师，他刚读完文章就拍案叫绝，并立即向物理学界的几个大人物写信，吁请对这个新思想给予关注：“请读一读这篇论文吧，这可能是一个疯子写的，但只有疯子才有这种胆量。爱因斯坦（美学的）宇宙观：和谐、对称。3对于质量为m，以速度v运动的实物粒子：光子动量：光子质量：§4粒子的波动性让我们在心里读两遍光的波粒二象性：德布罗意根据对称性思想提出了物质波假设，认为波粒二象性不是光独有的特性，一切实物粒子都有

4、波粒二象性。德布罗意“物质波”波长1.德布罗意物质波假设4德布罗意物质波的实验验证1927年戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。同年汤姆逊实验证明了电子在穿过金属片后也象X射线一样产生衍射现象。电子的衍射实验证明了德布罗意关系的正确性。德布罗意在1924年论文答辩时，当时著名的科学家J.B.Perrin问他“这些波怎样用实验来证实呢？”德布罗意回答：“用晶体对电子的衍射实验可以做到。”5纽约贝尔电话实验室研究人员戴维逊，长期以来和助手革末做电子轰击金属的实验。这天二人正在做实验，忽然一只

5、盛放液态空气的瓶子倒地炸裂。实验用的金属靶子是置于真空条件下的，现在液态空气立即气化，弥漫全室，钻进了真空系统，那块当靶子的钝锌板立即就被氧化。他们只好连夜加班，将这块锌板换下来又是加热，又是洗刷，费力地将锌板表面的氧化膜去乾净，再装回真空容器里。第二天，戴维逊和革末又来到实验室，他们将仪器安置好后又开始了那个不知重复了多少次的实验。戴维逊扳动开关将电流直向锌板射去，一边喊革末调整一下锌靶的角度。革未将锌靶轻轻转了一个角度，戴维逊却吃惊地喊道：“见鬼，今天怎么连电子也学会与我绕弯子！真实的历史6这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射，但是电子明明是粒子啊，它怎么能有波的性质呢？

6、二人又将这个实验重复了多遍，仍然如此，他们就这样百思不得其解，在闷葫芦里一直闷了两年。两年后的夏天，戴维逊访问英国，遇到著名的物理学家玻恩。戴维逊将那个在肚子里憋了两年的问题提了出来。玻恩一听戴维逊如此这般地描述，便喜不自禁，也不顾是与客人初次见面，突然在对方肩上拍了一把，大声说道：“朋友，您已经撞开了上帝的大门。”“光有波粒二象性，一切物质微粒也有波粒二象性，电子也不例外。这正是欧洲大陆上近年来最新的理论。可惜这个假设还从没有人来验证，想不到证据却操在你的手里。”7“法国人德布罗意，本是学文科的，半路出家投身物理。但也正因此他没有我们同行中惯有的旧框子，所以倒捷足先登。他不但提

7、出假设，还推出公式，能具体地求出粒子的波长呢。他的论文发表在法国科学院会议周报上和英国的《哲学杂志》上，您可以仔细研究一下。”这两个科学家越谈越有劲，而戴维逊心里已在悄悄地说：只今天这一席谈话我就不虚此行了。拜会过玻恩之后戴维逊已无心再到哪里转了，便草草结束了这次访问。他回到美国后，重做了两年前的实验，果然与德布罗意的预言和计算完全一致。原来两年前的那次液态气瓶爆裂帮了他的大忙。他和革末对锌板加热、洗刷后，锌板就变成了单晶体，而任何一种波经过晶体，都会生成强度周期性的变化现象。他