物質波公式

物質波公式

法國著名物理學家德布羅意1923在經過計算,得出了電子是一種波動的結論。並把這種波稱為——相波(phase wave),後人為了紀念他,也稱其為“德布羅意波”。後人證明,此公式可以用於任何巨觀物體或者微觀粒子,故德布羅意波也被稱為物質波。

定義公式

德布羅意波波長的公式:

物質波公式 物質波公式

其中的物理意義:

λ表示被求解的物體的波長;

c表示光速;

v表示物體的速度;

m表示物體的質量;

h為普朗克常量;

對於我們周圍的巨觀物體,波長至少在 λ≈10^-20的量級以下。因為波長太小,巨觀物體無法體現其波動性。

推導過程

單個光子的能量和動量可表示為:

物質波公式 物質波公式
物質波公式 物質波公式

(h:普朗克常量;c:光速;λ:光的波長;f:光的頻率)

根據狹義相對論的質能守恆公式,光子的能量又可通過如下方式表示。

物質波公式 物質波公式

兩式聯立

物質波公式 物質波公式

得到 光子的波長與動量的關係式

物質波公式 物質波公式

德布羅意認為,實物粒子也遵循這些規律。當質量為m的實物粒子運動時,其具有能量E和動量p;在波動性方面,其具有波長λ和頻率f。當推廣到實物粒子時,將光子動量代換為實物動量,做出如下修正(考慮相對論情況):

物質波公式 物質波公式

(v:物體運動速度;m0:物體的靜質量)

當實物粒子運動速度遠小於光速(v<<c)時,公式退化為:

物質波公式 物質波公式

註:高中物理競賽所用的《熱學·光學·近代物理》在公式推廣方面有些含糊。《普通物理學》闡述得較好

上面的推導過程可以推廣到所有微觀粒子,

p=γmv

E=γmc^2=hf

按照德布羅意的構想,E/p=c^2/v即是物質波的波速

又物質波頻率為f=γmc^2/h,即得

λ=(c^2/v)/(γmc^2/h)=h/p

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