德布罗意与物质波

德布罗意与物质波 1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线;二十世纪初叶，大批实验物理学家从事X射线性质的研究;人们相继发现，X射线、γ射线和β射线一样具有使气体电离的能力，这是该射线具有粒子性的实验佐证。1912年，德国物理学家劳厄等人又发现了X射线的衍射现象，从而证明该射线具有波动的特征。这些互相矛盾的结果使当时的理论物理学家们困惑不解。就这危机的时刻，法国物理学家路易斯?德布罗意(L(V(P(de(Broglie，1892,1960)萌发了物质波的思想;他把普朗克的量子论与爱因斯坦的相对论结合起来，使物理学从困境中摆脱出来。 3、1 德布罗意物质波的思想 路易斯?德布罗意，1892年8月15日出生于法国迪埃普一个显赫的贵族家庭，少年时期酷爱历史和文学，在巴黎大学学习法制史，大学毕业时获历史学土学位。他的哥哥莫尔斯?德布罗意(Maurice de Broglie)是法国著名的物理学家，X射线研究的先驱者。德布罗意由于受到哥哥的熏陶，从而对自然科学产生了浓厚的兴趣。接着，他在1910年读了著名物理学家彭加勒的著作。这促使毅然从事文学走向了自然科学的道路。1911年召开的第一届索尔维会议讨论的主要议是量子理论的有关问题，会后出版了关于量子论的文集。德布罗意看后深受鼓舞，他示要以青春的活力醉心于这些已 被深入研究而又饶有兴趣的问题。立誓要不遗余力地去弄懂这些量子的真正图10-10路易斯?德本质。1913年，他以出色的表现，获得了物理学硕士学位。 布罗意 随着光的波粒二象性研究的深入，德布罗意进一步者出了粒子性和波动性的联系。过去人们曾经习惯于把辐射看成波，把宏观客体者成是由粒子组成的。既然现在我们已经知道，过去认为是波的辐射具有粒子性，那么，从自然界的对称性出发，是不是也应当认为，宏观客体也具有波动性呢,他说:“如果我们要想建立一个能同时解释光的性质和物质的性质的一理论，那么在物质的理论中，犹如在辐射的理论中一样。必须同时考虑波和粒子。” 经过长期孤寂的思索和遐想，1923年德布罗意接连发表了三篇论文，他把量子理论和爱因斯坦的相对论进行了奇特的结合，得到了著名的德布罗意关系: 22,,h/m,,1,,/c，天才地预见了微观粒子，特别是电子，应具有可测量的波动特0 征。 1924年11月24日，德布罗意为了申请博士学位，也把1923年发表的短文中的要点汇集成一篇题为《量子理论的研究》的论文递交给巴黎大学理学院。文中以生动活泼的语言，对自己的工作做出了精辟的概括。他从物理学最基本的假设出发，对物质波的思想做了严密的论证。虽然许多物理学家表示怀疑，甚至洛仑兹断言德布罗意误入歧途。理学院对他的博士论文做出的部分评议是:“我们赞扬他以非凡的能力，坚持做出为克服困绕物理学的难题所必须作的努力。”当他进行论文答辩的时候，考试委员会主任佩兰(Perrin Jean Baptiste，1870,1942)曾问:是否可以用实验方法验证物质波的存在。德布罗意回答道:对于宏观物体来说，它的波长太短了，目前根本无法观测到，但电子这样的微观粒子的波动性却非常显著，其值与真空紫外线的波长相近，因而可以从很小的孔穿过的电子束呈现电子衍射的图像。 巴黎大学理学院的物理学教授郎之万(P(Langevin，1872,1946)对德布罗意的新思想甚为吃惊;一时不知如何估价这篇论文的份量，就将德布罗意论文的副本寄给了他的老朋友爱因斯坦，向他征求意见，慧眼独具的爱因斯坦收到论文后，立即看出了德布罗意这一工 作的重要性。爱因斯坦说道:“德布罗意的工作给我留下了深刻的印象，一幅巨大帏幕的一角卷起来了。”他立即建议玻恩也读一读这篇论文，并马上把德布罗意这个新概念应用到他对气体理论的研究上去。这个概念为他解决有关混合气体的压力和状态分布的悖论奠定了基础，从而使他在印度科学家玻色(S(N(Bose，1894,1974)工作的基础上创建了后米以“玻色一爱因斯坦”命名的量子统计理论。德布罗意的工作经过爱因斯坦的推荐，从而得到物理学家们的普遍重视。 3、2 物质波的实验佐证 物理学界一致认为，德布罗意的假设是否正确必须由实验加以检验，为了在实验上验证物质波的存在，德布罗意曾建议用电子通过小孔来做衍射实验。1927年，美国纽约贝尔实验室的戴维逊(C(J(Davisaon，1881,1958)和革末(L(H(Geiger，1882,1945)用具有一定能量的电子垂直地射向磨光的镍单晶表面上，并在不同的角度上测量反射波，观测到了与X射线有相同的衍射图象。经过计算，严格地证实了德布罗意假设的正确性。与此同时，G(P(汤姆逊(George Pager Thomson，1892,1975)用高速的电子穿过赛璐珞、金、铂或铅的薄膜，在荧光屏上(或照相底板上)直接观察到衍射图像，也充分证实了德布罗意的预言。德布罗意因此荣获了1929年的诺贝尔物理学奖，而戴维逊和G(P(汤姆逊两人一起获得了1937年的诺贝尔物理学奖。 后来，许多实验证实，不仅电子，而且质子、中子都具有波动性。1929年，伊斯脱门(Entermann)和斯特恩(Otto sternn，1888,1969)证实氦原子和氢分子也按照德布罗意理论被衍射，他们的实验大大地增强了人们对物质波的将遍信念。德布罗意第一次把以往认为是对立的概念统一起来，这不仅在物理学史上，而且在人类思想史上都是光辉的典范。德布罗思物质波的思想为波动力学的建立奠定了基础。两年后，奥地利物理学家薛定谔(E(Schrodinger，1887,1969)在此基础之上加以数学论证，提出了著名的薛定谔方程。