普通高中物理选择性必修三 第四章第5节 粒子的波动性和量子力学的建立
内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第三册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们认识到光既有粒子性，又有波动性。电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？
1924年，法国物理学家德布罗意在对光的波粒二像性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。
德布罗意的假设
实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。
这种与实物粒子相联系的波被称为德布罗意波，也叫物质波。
粒子的能量和动量跟它所对应的波的频率和波长之间存在关系
德布罗意关于实物粒子具有波动性的假说在当时是难以理解的。真正判定这个假说是否“站得住脚”的只能是实验。
德布罗意波的证实
验证德布罗意波存在的一条途径
光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么，它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。
宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，因此，它们对应的德布罗意波的波长很短，比宏观物体的尺度小得多，根本无法观察到它的波动性。而一个原来静止的电子，在经过100V电压加速后，德布罗意波长约为0.12nm，因此有可能观察到电子的波动性。
实验验证
电子的德布罗意波长与X射线的波长具有相近的数量级。
1927年，戴维孙和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了衍射图样，从而证实了电子的波动性。
在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。
除电子以外，后来还陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性。对于这些粒子，德布罗意给出的频率与波长的关系同样正确。
德布罗意提出物质波的观念被证实，表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质。
1929年，德布德意因提出物质波的假说获得了诺贝尔物理学奖。之后，戴维孙和G.P.汤姆孙因证实电子波动性获得了1937年的诺贝尔物理学奖。
G.P.汤姆孙的父亲J.J.汤姆孙因发现电子而获诺贝尔物理学奖，他则由于验证了电子的波动性而获诺贝尔物理学奖。这是科学史上的一段佳话。
19、20世纪之交，人们在许多类问题中都发现了经典物理学无法解释的现象。这表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。
普朗克常量h
普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。
以上一系列的理论，它们中的每一个，都是针对一个特定的具体问题，都不是统一的普遍理论。值得注意的是，在这些成功的理论中，普朗克常量都扮演了关键性的角色。
预示着这些理论之间存在着紧密的内在联系，在它们的背后，存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。
量子力学
矩阵力学
1925年，德国物理学家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况，他们建立的理论被称为矩阵力学。
波动力学
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程。
把薛定谔方程应用于氢原子，就很容易得到氢原子光谱的公式。把薛定谔方程应用于其他的系统，使玻尔理论的局限得以消除。
由于薛定谔的理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。
1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。
随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。
量子力学的创立是物理学历史上一次重要革命。它和相对认共同构成了20世纪以来物理学的基础。
量子力学是在普朗克、玻尔等人所建立的一个个的具体理论（它们被称为“早斯量子论”）的基础上创立的。
量子力学继承了早期量子论的成功之处并克服了其困难和局限，最终取代了早期量子论，成为统一描述微观世界物理规律的普遍理论。
量子力学被应用到众多具体物理系统中，得到了与实验符合得很好的结果，获得了极大的成功。借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。
量子力学推动了核物理和粒子物理的发展
人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。
人们惊讶地发现，世界具有奇妙的结构，最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系。
核物理发展，人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量——核能。
量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展
人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。在此基础上，发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术，如激光、核磁共振、原子钟，等等。
激光
激光技术使人们第一次拥有了纯净可控的光源，今天能在全球范围内实现即时通信，基础之一就是以激光为载体的光纤网络。
核磁共振
核磁共振技术使人们可以利用振荡的磁场测量材料中原子的性质，因此，被广泛地用于化学、生物研究和医学诊断。
原子钟
原子钟利用原子为电磁波核准频率，从而实现了对时间的高精度测量。在日常生活和国家安全中发挥巨大作用的卫星定位技术，其核心部件就是原子钟。
量子力学推动了固体物理的发展
人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。
芯片
科学家利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，即”芯片“。
利用芯片，人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机，智能手机等信息处理设备，真正走进了信息时代。
固体物理学的发展，还带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并认识了超导等一系列神奇现象。
在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了人类的进步。“一步一重天，百步上云端”，人类探索自然的步伐不会停息，量子力学必将在这个征途上继续发挥巨大的基础性作用。
量子力学和相对论的创立，是20世纪物理学的两个主要进展，给人类的科学、技术和社会形态带来了极其深刻的影响。
相对论的创立，主要是爱因斯坦的贡献，而量子力学的创立则曲折得多，是普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克等一大批杰出物理学家历时30年左右共同努力的结果。
索尔维会议
索尔维会议的创始人是比利时企业家索尔维。索尔维本人是一位化学家和企业家，因为发明了制碱方法而变得非常富有。
20世纪初开始，索尔维科学基金会每隔几年轮流召开物理、化学领域科学会议即索尔维会议。
1911年，第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开，主题是“辐射与量子”。会议历时5天，名家云集。
1927年10月召开的第五届索尔维物理会议最为著名，当时著名的物理学家纷纷出席。本次会议的29位参会者中，有17人获得了诺贝尔奖。
索尔维会议一直坚持举办，到2017年已经举办了27届物理会议和24届化学会议。这是企业资助科学研究的一个范例。
