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§第三节 既是粒子又是波(第2页)

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我们还可以从前面讲过的双缝干涉实验来认识它。

在双缝干涉实验的象屏上放一照相底片,减弱光的强度,则根据光子流的能量和每一个光子的能量,就可以算出含有光子的数目。

当光减弱到使光子只能一个一个地通过狭缝时,光子打在照相底片上是一些无规则分布的点,这时,光就突出地表现出其粒子性,然而并无一定的轨道,这是跟宏观世界中质点运动完全不同的。

如果曝光的时间足够长,则落在底片上的光子的数目就是大量的,这时照相底片上就会出现明显的干涉条纹,就象用强光在短时间内曝光所产生的效果一样。

这就说明,光的波动性,是大量光子的行为的表现,或者说,是大量光子所表现出来的现象。

照相底片上,干涉条纹中的明线,用波动性来解释,就是光波强度大的地方;用量子性来解释,也就是粒子到达机会多,即几率大的地方;而暗线则是光波强度小的地方,也就是光子出现机会少,或者说几率小的地方。

从这样的意义上来说,虽然单个光子运动规律及其行为是不规则或无规律的,但光波却可以看成是表明大量光子运动规律的一种几率波。

因此,一般地可以说:个别光子产生的效果常常显示出光的粒子性,而大量光子产生的效果则往往显示出光的波动性来。

这样,两个互相矛盾着的性质,在同一事物的身上是可以统一起来的。

粒子概念和波动概念在统计关系上取得了统一。

一方面,光和实物粒子都具有集中的能量、质量、动量,也即具有微粒性;另一方面,它们在各处出现,各有一定的几率,由此几率可以找出它们空间分布,这种空间分布又是与波动概念一致的。

但是,必须注意到,电子或光子等微观客体,既不是经典的波,也不是经典的粒子,以某种物质与微观客体的相互作用去探测时,就其集中的意义来说,它是粒子;它运动时,从所观察到衍射现象的意义来说,它是波动。

或者说这些微观客体有时象粒子,有时象波。

此外,还应注意到,同光子相联系的波是电磁波,而同电子相联系的波则是物质波,这两种波都可以决定它们在空间分布的几率。

从波动的观点来看,它们同样是波,但是,不能因此就忽略光子和电子等实物粒子之间的差别。

例如,在速度方面,光在真空中的传播速度只有一个速度,而电子可以有小于光速的任何速度;在质量方面,光子的静止质量等于零,而电子有不为零的静止质量,等等。

虽然是这样,并不是说光子和电子之间完全没有内在联系,近代物理实验已发现,波长约为0.01埃的光子在强电场中可转化为电子和正电子(正电子有和电子相同的质量和电量,但电荷是正的),这一现象,说明光子和电子之间存在着深刻的联系。

1924年,法国物理学家德布罗意将光的波粒二象性的概念加以推广。

他假设任何微观粒子,包括电子、质量、中子及其它微观实物粒子都同样具有这种波粒二象性。

他明确指出:质量、速度的粒子,当表现出波动性时,其波长等于普朗克恒量与粒子动量之比。

德布罗意假设,已为后来的实验所证实。

首先,电子衍射获得成功。

观察电子衍射的实验装置,连接电源灯丝,开有小孔的金属板,其中与电源的正极连接,是照相底片。

从灯丝飞出的热电子,在加速电场的作用下,穿过小孔后,形成狭细的电子流。

当它们穿过很薄的铜膜的结晶格子时,果然发生了衍射现象,在成象底片上形成衍射花样。

这就表明,电子也具有波的性质。

后来,用中子束穿过食盐单晶也产生了衍射现象。

由于得到一系列实验证实,因此就将关系式称为德布罗意公式。

由于实物粒子,包括原子射线和分子射线等,都能够产生衍射现象,表明一切微观粒子都具有波粒二象性,而且波长与动量的关系都符合德布罗意公式,因此这种波就称为物质波。

物质波也是一种几率波,它在某处的强度是同在该处找到它所代表的粒子的几率成正比的。

一切微观粒子都具有波粒二象性,这一理论为反映微观粒子运动规律的量子力学铺下了一块基石。

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