德布罗意与物质波理论

德布罗意在现代物理学发生深刻变革的时候开始了他的物理学研究。1900年，普朗克假设谐振子在研究黑体辐射时吸收了离散能量，并提出了量子的概念。

在此基础上，他推导出普朗克黑体辐射公式，该公式可以描述黑体辐射定律。然而，人们并没有意识到能量的重要性，只是认为能量在控制物质和辐射的相互作用中是适当的。频率为V的物质振荡器只发射或吸收几倍于hV的能量。直到1905年，量子概念才显著发展。1905年，爱因斯坦发表了一篇题为“光的产生和转变的启发性观点”的论文。通过对黑体辐射的研究和论证，提出了光量子的概念，并成功地解释了光电效应。这项工作的意义之一是光量子的概念是在分析和研究黑体辐射的基础上获得的，这表明量子的概念具有普遍意义。爱因斯坦认为单色辐射密度小，从它的热现象来看，它似乎是由一些独立的能量组成的。本世纪初，人们通过对X射线的研究认识到，X射线具有有时似波，有时似粒子的特殊性质。1913年，玻尔提出了原子中电子运动的量子化条件，原子中的电子只能做一些运动，成功地解释了氢原子的光谱。玻尔的量子化条件没有理论基础，是人为规定的。

从1919年到1922年，法国物理学家布里渊提出了一个理论来解释玻尔的化学条件。布里渊把电子和波作为一个整体来研究，假设在原子核周围有一层以太，电子在这层以太中移动来引发波。这些波相互干扰，在原子核周围形成驻波。这些研究成果，尤其是布里渊理论，对德布罗意的物质被思维的思想有很大的影响。

德布罗意继续他的理论物理研究。物理学面临的主要困难是:光有两种理论:粒子理论和波动理论；确定电子在原子中的稳定运动涉及整数，这是当时人们无法理解的事实。德布罗意首先考察了光的量子理论和玻尔的量子化条件。确定轻粒子能量的表达式是W = HV，它包含频率V，而纯粒子理论不包含频率因子。确定电子在原子中的稳定运动涉及整数，而物理学只涉及干涉和固有振动。这些结果使德布罗意认为有必要将粒子和周期的概念同时引入光中。对于电子来说，周期性的概念必须赋予电子，这不能简单地用粒子来描述。

因此，德布罗意形成了指导他研究的所有概念:在所有情况下，粒子必须假设与波一起存在，他的主要目的是建立粒子的运动和联合波的传播之间的对应关系。

1923年夏末，德布罗意开始形成他的相位波概念(后来他称之为相位波)。9月10日，他发表了关于物质波、波和量子理论的第一篇论文。本文提出的观点可以看作是波动力学理论的开端。两周后，德布罗意发表了另一篇关于光量子、衍射和干涉理论的论文，明确提出了相干波的概念。文章明确指出，运动点的运动应该被描述。观察者必须将这种运动与以相同方向传播的非物质正弦波联系起来。在观察者看来，这种波的频率等于上述移动点的总能量除以普朗克常数h。同年10月8日，德布罗意发表了他关于物质波理论的第三篇论文，“量子、气体运动理论和费马原理”。阐述了波与粒子的对应关系。他假设与任何粒子相关的相位波在空间的任何一点都与粒子同相。相位波的频率和速度由粒子的能量和速度决定。

德布罗意的三篇论文是物质波理论基础工作的开端。在这三篇论文之后，德布罗意开始写他的博士论文《量子理论研究》。1924年11月，德布罗意通过论文答辩获得博士学位。他的博士论文包括了近两年的一些研究成果，系统地论述了物质波理论，并获得了一些关于物质波的重要成果。德布罗意认为，任何运动的物体都伴随着一种波动，不可能把物体的运动和波的传播分开。这种波叫做相位波。相位波的存在是物体的能量和动量同时满足量子条件和相对论关系的必然结果。德布罗意认为粒子的外部质量是稳定的，相对于静止的观察者来说，粒子的速度是稳定的。他假设粒子是周期性内在现象的活跃中心，其频率是普朗克常数。这是粒子的内能。基于狭义相对论原理和严格的量子关系，德布罗意通过严格的理论得出相位波的波长是普朗克常数和相对论动量，这是德布罗意的波长和动量之间众所周知的关系。此外，德布罗意将相波的相速度与群速度(能量转移速度)联系起来，证明了波的群速度决定了群速度与质点速度的等价性。他的研究成果形成了一个相对完整的物质波理论。

当德布罗意写他的论文时，他的兄弟(德布罗意先生)建议他的论文应该包括一个实验部分，但是他没有采纳这个建议。他的物质波理论是在没有任何已知事实的情况下提出的，这使国防委员会对物质波的真实性产生了怀疑。国防委员会主席佩林提出了物质波如何通过实验来验证的问题。德·布罗意回答了佩林的问题:通过晶体对电子的衍射实验来验证物质波的存在是可能的。他的想法已经形成很久了。他在1923年9月24日的文章《光的量子、衍射和干涉》中指出，通过非常小的孔的电子束可能产生衍射现象，这可能成为在实验中验证物质波粒二象性的一种方法。他还向他哥哥的同事道维尔提议做电子衍射实验，后者正忙于电学。

物理学的发展需要理论和实验两方面的共同进步。现在理论基础已经向前迈出了一步，这为实验提出了一个研究课题。物质波理论提出后，如何通过实验证明物质波的存在成为一个热门话题。

根据德布罗意的理论，加速电压为几千伏的电子束的波长约为10-10米，与x光波长的数量级相同。因此，晶体对电子的衍射实验可以用来验证物质波。德布罗意的理论一引入美国，一个展示电子衍射的实验就在纽约开始了。虽然这个实验在开始时并不是为了验证波动理论，但到了1926年，这项工作的目的已经改变，以验证物质波理论。1927年初，戴维森和杰尔莫通过实验发现，在镍晶体对电子的衍射实验中，有19个例子可以用来验证波长和动量之间的关系，每次都在测量精度范围内证明了德布罗意公式的正确性。戴维森实验中使用的电子束的电子能量非常低，只有50-600电子伏特。

同年，g . p .汤姆森做了高能电子晶体衍射电子束的实验。他使电子能量为1000-8000电子伏特的电子束垂直入射到薄膜上，如萨马哈、金、铂或铝，以观察产生的衍射图案。实验观察与德布罗意理论的结果非常一致，德布罗意理论充分证明了电子具有挥发性，并再次向人们证明德布罗意理论是正确的，事实是无可辩驳的。后来，人们通过实验观察到原子、分子等微观粒子。有波动性。实验证明物质具有波粒二象性，这不仅使人们认识到德布罗意的物质波理论是正确的，而且为物质波理论奠定了坚实的基础。