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量子力学是描述微观世界的 精彩章节试读
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波粒二象性
波粒二象性是量子力学的一个核心概念,描述了微观粒子(如光子、电子等)既具有粒子性质,又表现出波动行为的特性。这种二重性挑战了经典物理学中“波”和“粒子”互相排斥的传统观念,是理解量子世界的重要基础。
波粒二象性的表现
1. 波的性质
微观粒子(如电子、光子)在某些实验中表现出波动行为,例如干涉和衍射现象。
经典波动的特征包括:相干性、叠加性和衍射性。
2. 粒子的性质
同样的微观粒子在其他实验中表现为粒子行为,例如在光电效应中,光子像弹丸一样将电子击出金属表面。
粒子行为的特征包括:局域性和一次性事件。
关键实验验证
1. 光的波粒二象性
光的波动性:托马斯·杨的双缝干涉实验(1801年)证明了光具有波动性质。当光通过两个狭缝时,在屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。
光的粒子性:爱因斯坦在解释光电效应(1905年)时提出,光是由离散的光子组成,每个光子的能量为 E=hfE = h fE=hf(普朗克公式),成功解释了为什么只有高频光才能释放电子。
2. 电子的波粒二象性
电子的波动性:1927年,戴维孙和革末(Davisson-Germer)实验中,电子在晶体表面发生衍射,证明电子具有波动性质。
电子的粒子性:在云室或电离室等实验中,电子的运动轨迹呈现为一条条清晰的粒子轨迹。
3. C60分子的波动性
即使是较大的分子(如富勒烯,C60)也表现出波粒二象性。在双缝实验中,C60分子通过双缝时仍会产生干涉图样,表明波动性不仅限于单个光子或电子。
数学描述
波粒二象性通过德布罗意假设得到理论支持:
这一公式表