物质波和德布罗意波的区别(物质波与德布罗意波)

说起德布罗意的物质波,就不得不提他那被评为史上最牛毕业论文了,而德布罗意物质波的概念,就是出自此论文。

德布罗意家族显赫,其父亲当过法国总理和外交部长等职。所以生活环境的优厚造成了德布罗意成为类似于现在“王思聪一样的国民老公的待遇”。不过,唯一和思聪不同的是,德布罗意极其聪明。不仅他,他的哥哥也是聪明至极,是实验物理学家,还是法国公爵兼德国亲王,地位极其显赫。而德布罗意本科是历史学专的,后来实在闲着无聊去读了5年博士,最后交的博士论文竟然是一页纸!!!该论文给出了德布罗意波动方程,但是奈何太骇人听闻,其导师朗之万害怕过不了,所以把德布罗意的论文邮寄给了爱因斯坦求其给予支持,给爱的信中写道:“请您给此论文一个评价,顺便给您介绍一下,此论文作者父亲是敝国内阁部长,如您不惜给出评价,相信您来敝国一定会收到隆重接待”。

物质波的秘密-德布罗意波

德布罗意

这样的信显然是带有威逼利诱的,不过爱因斯坦看到德布罗意的创造性思维之后,真的给予其了高度评价:“揭开了改领域大幕的一角”。有了爱因斯坦的支持,德布罗意的论文立马收到了物理学界的关注,特别是当时还是一位郁郁不得志的讲师薛定谔看到后,深受启发。闭关了整整一年,悟出了绝世大作:薛定谔波动方程。自此,德布罗意关于物质波的描述不仅帮助其顺利拿到了博士论文,并得了诺贝尔奖;还改变了薛定谔的命运,使其一跃成为当时最著名的量子物理学家之一,并因此也获得了诺贝尔奖。一页纸的博士论文,帮助两个人活得诺贝尔奖,也算是前无古人后无来者了。

物质波的秘密-德布罗意波

爱因斯坦

德布罗意波,指的是微观粒子而非宏观物质的波

言归正传,德布罗意波动方程正是参考了光的波粒二象性实验而提出的,他认为不仅仅是光,其它微观粒子也具有波动性。注意,这里是微观粒子,并不是说的宏观物质。当然了,现在把德布罗意的波动概念拓展到宏观物质也行,比如一个运动的汽车,但是这么计算下来,其波长会远小于普朗克长度,变得毫无意义。所以,德布罗意波动方程比较适合微观基本粒子,比如质子、中子、电子等质量很小的粒子,这样得出的波长是大于普朗克长度的,是有意义的。比如我们通过计算,可以得到200ev电子的波长是0.87埃,即0.087nm,远远小于一般晶体的晶格间距。所以,想要看清楚电子的衍射图形,需要使用特殊的晶体做衍射光栅才行。而物质波的证明,也正是利用这种方式。

物质波的秘密-德布罗意波

物质波波长公式

德布罗意波是概率波,并非真实的机械波

虽然德布罗意得出了物质波的波长公式,提出了物质波概念,薛定谔据此得出了量子的波动方程,但是这位两自己都没有搞清楚自己所提出概念的物理意义。直到过去很久,才有物理学界玻恩给出了物质波的物理学意义,即物质波是概率波,它表示微观粒子在空间上某个点出现的概率。比如德布罗意电子波,就是电子在空间某点出现的概率波,可以用一个概率函数来表示,即薛定谔方程。可惜的是,薛定谔一直不承认玻恩对自己波函数的解释,他和爱因斯坦一样,都认为上帝不会掷骰子来决定宇宙如何运行。

物质波的秘密-德布罗意波

薛定谔和德布罗意波

德布罗意波在实际生活中的应用实例

很多人觉得德布罗意波就是一个晦涩难懂的物理学公式而已,在现实生活在毫无用处。然而并非如此,德布罗意波在某些科技领域给予了我们极大帮助,比如我们现在分辨率最高的使用最广泛的显微镜(电镜):透射电镜,就涉及到了德布罗意波。

物质波的秘密-德布罗意波

透射电镜原理图

我们都知道,显微镜的分辨率公式为:σ=λ/N;式中σ为最小分辨距离;λ为光线的波长;N为物镜的数值孔径。因为可见光的波长有一个最小值,所以想要提供显微镜分辨率只能够加大物镜的数值孔径。但是物镜再改造和优化。其数值孔径也有一个极限值。所以很长一段时间内,科学家对此毫无办法,想要看清楚物质的围观形貌,简直难于上青天。

物质波的秘密-德布罗意波

纳米颗粒形貌-透射电镜图

物质波的秘密-德布罗意波

介孔纳米颗粒-投射电镜图

物质波的秘密-德布罗意波

棒状纳米金颗粒-投射电镜图

好在德布罗意波出现了,德布罗意波可以是基本粒子波,这些粒子的波比光子小的多,所以如果使用这些粒子波,那么显微镜的分辨率无疑会提升很多倍。所以,科学家经过论证,发明了利用电子束作为波的电子投射显微镜(投射电镜),利用这种电镜,我们可以看清楚很多物质的微观形貌,其分辨率可以达到埃米级!而现在纳米科技如此蓬勃发展,这和投射电镜是完全分不开的。

所以德布罗意的贡献,是划时代的,无与伦比的。向德布罗意致敬!

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