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波粒二象性年代trong>是指宇宙中的基本物体,如
gydF4y2Ba在20世纪初,人们普遍认为光是一种波,而物质被认为是由原子组成的,而原子本身是由亚原子粒子组成的。然而,随着。的发展
物质由粒子组成的概念可以追溯到希腊人,他们是第一个构想出原子的人,尽管他们对原子的组成部分一无所知。直到19世纪末,J.J.汤姆森对单个粒子的理解才得以实现<年代trong>葡萄干布丁模型年代trong>由单个的负粒子或原子组成的中性化合物<年代trong>电子年代trong>嵌在一团正电荷中。
gydF4y2Ba这是由汤姆逊的阴极射线管实验引起的,他在实验中证明了自由电荷可以穿过真空。因此,他提出了电子作为携带电子电荷的粒子的存在,并在1904年不久设计了葡萄干布丁模型来解释原子的化学性质。
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不久之后,在1911年,卢瑟福通过他的理论推翻了这个模型<年代trong>金箔实验年代trong>通过用粒子轰击薄薄的金箔,证实了原子核的存在。因此,原子被理解为同时包含正极和负极粒子,但粒子仍然存在。
gydF4y2Ba随着发现
gydF4y2Ba经过几个世纪的科学探索,人们假设和实验证明,除了光以外,本质上所有东西都是由足够小的粒子组成的。整个19世纪的科学调查把光放在坚实的地面上作为一个波。然而,在20世纪早期,一些巧妙的实验似乎无法解释,如果没有光也具有粒子性质:
gydF4y2Ba光显示粒子性质的观察是量子力学出现的结果,普朗克的解决方案<年代trong>黑体辐射问题年代trong>在1900年。当处于热平衡状态时,任何物理物体(“黑体”)都会不断地向周围环境发射电磁辐射。如果这种辐射的光谱是连续的,那么它所包含的能量将是无限的,这就是所谓的<年代trong>紫外灾难年代trong>.
gydF4y2Ba这种分歧的原因是经典统计力学假设每个经典电磁模式都有相同的能量,由温度决定。普朗克对这个问题的解决方案是假设辐射是<年代trong>量化年代trong>在具有能量的离散包中<年代pan class="katex"> E年代pan>=年代pan>h年代pan>ν年代pan>与<年代pan class="katex"> ν年代pan>辐射频率和<年代pan class="katex"> h年代pan>一个常数。爱因斯坦后来将这个结果解释为光的粒子性质的证明,因为将光能量子化成离散的包表明每个包是一个轻的粒子或<年代trong>光子年代trong>.
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在普朗克之后的几年,爱因斯坦对另一个实验的解释<年代trong>光电效应年代trong>,将进一步证实这一说法。光电效应指的是,无论金属的光强度有多低,高频光都会引起电子的发射。将光当作量子化的包或光子处理并使用<年代pan class="katex"> E年代pan>=年代pan>h年代pan>ν年代pan>解释了这种效果,因为光的强度只指定光子的数量,而不是光子的能量。因此,少量高能光子仍会导致电子发射。
<年代pan class="image-caption center">
二十世纪后不久的实验证明了光的粒子方面是非常令人震惊的,因为几个世纪以来,光的本质在科学界作为一种波根深蒂固。光在当时被普遍认为是一种波的原因始于几个世纪前光学的非凡成功。将光线描述为波,而波的光线在像玻璃镜片这样的介质中弯曲,这对于重现正确的实验行为是非常有用的。
gydF4y2Ba在20世纪初,杨的双缝实验进一步证明了光的波状性质。
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在这个实验中,当光线通过狭缝衍射时,照射在有两条狭缝的屏障上的光线在屏障后面的屏幕上显示出干涉图案。这似乎是光是波的无可争辩的证据,因为从粒子的角度来看,这种行为似乎是不可复制的。
gydF4y2Ba从理论角度来看,麦克斯韦在19世纪把光的波状性质建立在坚实的数学基础上,他把控制电场和磁场的方程结合起来,得出了两个方程:
<年代pan class="katex-display"> c年代pan>2年代pan>1年代pan>∂年代pan>t年代pan>2年代pan>∂年代pan>2年代pan>E年代pan>=年代pan>∂年代pan>x年代pan>2年代pan>∂年代pan>2年代pan>E年代pan>,年代pan>c年代pan>2年代pan>1年代pan>∂年代pan>t年代pan>2年代pan>∂年代pan>2年代pan>B年代pan>=年代pan>∂年代pan>x年代pan>2年代pan>∂年代pan>2年代pan>B年代pan>,年代pan>
即
随着20世纪初量子力学这一新兴领域的发展,它将把光的波状处理方法与物质和光都是由粒子组成的证据结合起来。此外,这个不断发展的理论将启发实验,证明物质也有波状的趋势。
gydF4y2Ba如上所述,20世纪初,光的粒子和波行为的统一在实验上被证明是正确的:几个世纪的光学和电磁学证明了光的波状性质,而黑体问题和光电效应支持了光子的存在。物质粒子和波行为的统一始于1924年,当时德布罗意阐述了他的关系:
<年代pan class="katex-display"> λ年代pan>=年代pan>p年代pan>h年代pan>.年代pan>
这个关系式表明,物质粒子具有动量<年代pan class="katex"> p年代pan>可以被同样描述为波长的波吗<年代pan class="katex"> λ年代pan>,带有比例常数<年代pan class="katex"> h年代pan>等于普朗克常数。该方程由相应的光方程驱动:
<年代pan class="katex-display"> E年代pan>=年代pan>λ年代pan>h年代pan>c年代pan>,年代pan>
注意到<年代pan class="katex"> E年代pan>=年代pan>p年代pan>c年代pan>为了光明。通过观察光的波粒二象性,德布罗意认为物质应该遵循同样的关系。在接下来的几年中,通过使用电子进行的干涉和衍射实验证明了该假设的合理性:
<年代pan class="image-caption center">
对于非相对论性粒子,下列哪个选项给出了德布罗意波长之间正确的关系<年代pan class="katex"> λ年代pan>d年代pan>B年代pan>和康普顿波长<年代pan class="katex"> λ年代pan>c年代pan>=年代pan>米年代pan>c年代pan>h年代pan>,这也是量子力学中有用的波长?
计算具有质量的大质量粒子的德布罗意波长<年代pan class="katex"> 1年代pan>g年代pan>在旅行<年代pan class="katex"> 1年代pan>米年代pan>/年代pan>年代年代pan>.
即使是一次发射一个,就像在20世纪后期的一次实验中一样,人们在干涉和衍射实验中发现了与波动力学预测的相同的电子结果。近几十年来,物质的波粒二象性已被证实存在于更大的物体中,如巴基球<年代pan class="katex"> C年代pan>6年代pan>0年代pan>同素异形体。
gydF4y2Ba基于德布罗意假设,海森堡注意到大动量的粒子应该具有小波长,反之亦然。他提出,因此精确测量粒子的位置需要一个高能光子来测量,在测量时极大地扰乱了动量,反之亦然。事实上,这种“测量效应”虽然真实存在,但并不是问题的全部。事实上,粒子本身并没有确定的位置或动量,而是服从它们所给出的统计分布
<年代pan class="katex-display"> σ年代pan>x年代pan>σ年代pan>p年代pan>≥年代pan>2年代pan>ℏ年代pan>.年代pan>
也就是说,如果位置不确定性小,动量不确定性就大,反之亦然。
gydF4y2Ba这种波函数形式是由Schrödinger提出的,他设计了一种波状结构
gydF4y2Ba在量子场论,一个现代和相对论兼容的版本的量子力学,波粒二象性被提升到一个新的数学抽象水平的群论。在量子场论中,所有的光和物质都是由场来表示的,这些场作为数学运算符来创造和破坏能量的量子。这些算符依次服从支配它们动力学的波动式方程。量子场论中的粒子对应于特殊
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