电子有质量m，那么它必定对应一个能量E，E=mc2，还有普朗克提出的量子假说E=hυ，也就是说，电子的相对论能量对应这个能量又可

德布罗意和物质波 分类:物理学
2006.7.18 21:43 作者：鸿鸿 | 评论：11 | 阅读：0
大家对波耳濡目染，机械波、声波、光波，甚至对引力波……在物理学当中，还有一种相当著名的波——物质波。物质波，顾名思义，物质的波。但是，我们都熟悉物质是由粒子组成的呀！质子、中子，还有电子……怎么会是波呢？这里有着一个神奇的故事，它牵涉了几代物理学家，萦绕了几百年风雨……

光究竟是什么？这是一个唱了300年好戏的问题。牛顿在17世纪提出了微粒说，认为光是一群弹性粒子，它符合牛顿运动定律；然而17世纪的另一位“巨头”惠更斯却认为光是一种像水波一样在一种叫做以太的介质中传播的波。微粒说可以方便地解释光的反射、折射现象，再加上牛顿的声誉地位，因此微粒说占了主导地位。

但是，历史往往喜欢开玩笑。在你春光得意之时，使你跌下深渊。18世纪，汤姆斯·杨发现了光的干涉现象，使得波动说有了翻身的机会。随后是偏振现象、泊松亮斑，这些都极大地支持了波动论。1856年、1861年和1865年，英国一个叫麦克斯韦的物理学家发表了他的三篇划时代的论文，建立了电磁学理论，预示了波动时代的来临。自从赫兹用实验证明了电磁波的存在，人们开始更相信光是一种波。从此，波动说在接下来的很长一段日子里占据了优势，而似乎微粒说逐渐退出了历史舞台。

时间进入了19世纪末20世纪初，人们发现了一种当时无法用当时的理论解释的现象——光电效应，一时陷进了恐慌。1905年，一位名叫爱因斯坦的瑞士伯尔尼专利局的小职员发表了一篇论文，成功解释了光电效应。然而，人们发现，其中提出了光子的假说。也就是说，只有假设光是一种粒子，才能解释光电效应。什么？光是一种粒子！胡扯！光不是一种波吗？麦克斯韦的理论是如此的美妙，怎么会呢？然而，如果假设光是波的话，光电效应就解决不了。上帝真喜欢开玩笑！

爱因斯坦借助了普朗克（普朗克提出了能量子假说，指出每个能量子的能量E对应它的频率υ有个关系：E=hυ，h是普朗克常数，它等于6.63乘以10的-34次方）的能量子假说，提出了光子的概念。他假设，光是一份份的，每一份叫做一个光子，每个光子的能量为E=hυ，其中υ为光的频率。而每个光子的动量为p=h/λ，λ为光的波长。似乎微粒说有重生了！

奇怪，既然你说光是粒子，怎么在它的能量、动量公式里边又出现了光的波动特征——频率和波长?所有人都陷入了沉思之中。一直到了后来量子力学的发展，人们才总结出来，光既是粒子，又是波。它在不同的“场合”表现出了不同的形式，人们还给这种有趣的事情起了个好听但又有点“玄”的名字——波粒二象性。

好了，言归正传。

1892年8月15日，法国的塞纳河缓缓流淌。河畔边的帝厄浦像往常一样平静，人们依旧早早地去上班了。在一个贵族家庭里，一个小婴孩来到了人间。他的名字叫做路易斯·维克托·皮雷·雷蒙·德·布罗意。谁也没有想到，这个小婴孩将给物理学带来巨大的推动。

德布罗意家族历史悠久，先先后后出了许许多多的将军、元帅、部长，他们效劳于路易十四、路易十五、路易十六。他们曾经参加过波兰王位继承战争、奥地利王位继承战争、、美国独立战争、法国大革命、二月革命，接受过弗兰西斯二世以及法国国王路易·腓力的册封，继承着最高世袭身份的头衔：公爵。德布罗意的祖父是法国著名的政治家、国务活动家，还担任过总理和外交家职务。后来，德布罗意成了第七代公爵。

德布罗意在18岁就开始在巴黎大学学习物理。之后，他又去研究历史，他从小对历史有极大的兴趣。一战期间，德布罗意在军队工作。德布罗意的哥哥是个物理学家，他参加了1911年的第一届索尔维会议，并把讨论和报告的记录带回家，结果给德布罗意阅读后，聪明地有了物质波的念头，并从历史又回到了物理学。

人类失去了一位历史学家，却得到了一位物理学家。^-^

德布罗意想，光是粒子还是波，这个有趣的问题困扰了我们那么久，一直以来，我们都认为光是波，却忽视了它的粒子性！这是一个值得反思的问题！恩，在其他方面，我们是不是也有这样的错误呢？比如说，电子，我们一直认为它是粒子，会不会它又是波呢？

哈，电子竟是波，它有波动性，瞧，这个想法多荒唐呀！德布罗意笑了，他接着又想，但是，可不可以找到一点证据呢？爱因斯坦和相对论跳过了眼前。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，电子有质量m，那么它必定对应一个能量E，E=mc2，还有普朗克提出的



量子假说E=hυ，也就是说，电子的相对论能量对应这个能量又可以有个频率υ，计算也很简单， mc2=E=hυ， 所以，υ= mc2/h。



恩，这样电子就有了频率！那频率又是什么东西呢？它应该是某种振动的周期。也就是说，电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论，开始了他的运算，结果发现当电子以速度v0前进时，必定伴随着一个速度为c2/v0的波电子



在前进时，总是伴随着一个波！你可能要发出疑问，因为发现了这个波的速度c2/v0将比



光速还快上许多，但是这不是一个问题。德布罗意证明，这种波不能携带实际的能量和信息，因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说，没有一种能量信号的传递能超过光速，对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的。德布罗意把这种波称为“相波”，后人为了纪念他，也称其为“德布罗意波”。

好了，有了这些。计算这个电子波的波长是容易的，就简单地把上面得出的速度除以它的频率，那么我们就得到：λ= (c2/v0) / (mc2/h) = h/mv0。这个叫做德布罗意波



长公式。

电子居然是一个波！1924年德布罗意向巴黎大学提交了他的博士论文《量子理论的研究》，在里面，德布罗意提出了他上面的猜想，指出所有粒子都具有波动性，提出了物质波。

可是，这种想法太疯狂了，很少人能够接受，怎么可以通过论文的答辩，要知道，那些教授可是“老古板”！无奈之下，他的导师朗之万写信给爱因斯坦，把论文交给爱因斯坦点评。谁料爱因斯坦马上予以了高度评价，称德布罗意“揭开了大幕的一角”。整个物理学界在听到爱因斯坦的评论后大吃一惊，这才开始全面关注德布罗意的工作。1924年11月，德布罗意也顺利获得了博士学位。

证据，我们需要证据。所有的人都在异口同声地说。如果电子是一个波，那么就让我们看到它是一个波的样子。把它的衍射实验做出来给我们看，把干涉图纹放在我们的眼前。德布罗意有礼貌地回敬道：是的，先生们，我会给你们看到证据的。我预言，电子在通过一个小孔的时候，会像光波那样，产生一个可观测的衍射现象。

1925年4月，在美国纽约的贝尔电话实验室，戴维逊和革末在做一个有关电子的衍射实验，得到了电子通过晶体的衍射图象，从而证明了电子的波动性。1927年，G.P.汤姆逊，著名的J.J汤姆逊的儿子，在剑桥通过实验进一步证明了电子的波动性。他利用实验数据算出的电子行为，和德布罗意所预言的吻合得相当好。

Oh,My God！粒子竟具有波动性，我以为我见鬼了！事实上，光，还有电子、质子、中子……都具有波粒二象性，这是微观世界一个奇怪的地方，它与宏观世界是如此的不同，引人入胜。

我们也具有物质波，但是无奈，我们的波长太短了，因为我们的质量太大，造成我们的动量太大，远远大于电子，根据那个公式λ= h/mv0， mv0大了，而h又是如此的小，等于6.63乘以10的-34次方，所以λ也就小的“看不见”了。

1929年，德布罗意凭借他的那篇博士论文获得了诺贝尔物理学奖。这是历史第一篇获得诺贝尔奖的博士论文。

搞笑一下，如果当年德布罗意没有改行物理学，而坚守历史学，不知他会不会凭借一篇博士论文而获得“诺贝尔历史学奖”呢?^-^