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光的简史36: 从质能方程和量子方程 德布罗意导出电子波长
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当玻尔的原子还在泥潭中苦苦挣扎的时候,新的革命已经在酝酿之中。路易·维克多·德布罗意跟随哥哥参加了1911年的布鲁塞尔物理会议,这让他对科学的热情被完全地激发出来,并立志把一生奉献给这一令人激动的事业。 转投物理后,德布罗意一直在思考一个问题,就是如何能够在玻尔的原子模型里面,自然地引进一个周期的概念,以符合观测到的现实。原本,这个条件是玻尔强加在电子上面的量子化模式,电子在这个硬性的规定下,虽然乖乖听话,但总有点心不甘情不愿的感觉。德布罗意想,是时候把电子解放出来,让它们自己做主了。 如何赋予电子一个基本的性质,让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢?德布罗意想到了爱因斯坦的相对论。他开始这样地推理: 根据爱因斯坦的质能方程,如果电子有质量m,那么它一定有一个内禀的能量E; 好,让我们再看看普朗克量子基本方程,对应这个能量E,电子一定会具有一个内禀的频率; 好,电子有一个内在频率,那么频率是什么呢?它是某种振动的周期; 那么,可以得出结论,电子内部有某些东西在振动; 是什么东西在振动呢?德布罗意开始了他的运算,结果发现……当电子围绕原子核转动时,必定伴随着一个波…… 噢,你没有听错。电子在前进时,总是伴随着一个波。细心的观众可能要发出疑问,因为发现这个波的速度比光速还快上许多,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”,后人称其为“德布罗意波”。 但是,等等,我们似乎还没有回过神来。我们在谈论一个“波”!可是我们先前明明在讨论电子的问题,怎么突然从电子里冒出了一个波呢?它是从哪里出来的?大家应该还没有忘记,波动和微粒两支军队,在玻尔原子兴盛又衰败的时候,它们一直在苦苦对抗,僵持不下。 1923年,德布罗意在导出他的相波之前,正好是康普顿用光子假说解释了康普顿效应,从而带领微粒大举反攻后不久。现在微粒不得不因此放弃了全面进攻,因为它们突然发现,在电子这个大后方,居然出现了波动的奸细! 电子居然是一个波!这未免让人感到太不可思议。可敬的普朗克绅士在这些前卫的年轻人面前,只能摇头兴叹,连话都说不出来了。如果说当时全世界只有一个人支持德布罗意的话,那就是爱因斯坦了。 德布罗意的导师朗之万,对自己弟子的大胆见解无可奈何,出于挽救失足青年的良好愿望,他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”,这也成为爱因斯坦在波粒两派上改换门庭的一个佐证。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。 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,把干涉图纹放在我们的眼前。德布罗意回复:“我会给出证据的。我预言,电子在通过一个小孔后,会像光波那样,产生一个可观测的衍射现象。” 德布罗意说的是真的吗?我们下回续说。
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光的简史43: 光具有波粒二象性 但这不是终极答案
光的简史31:为给卢瑟福模型解困 玻尔终于找到突破口
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光的简史30:卢瑟福原子模型与电磁理论相矛盾
光的简史20: 开尔文提出两朵乌云 最终孕育出革命种子
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