FHSST 物理學/波/電磁應用

波的實際應用：電磁波

在物理學中，波粒二象性認為光和物質同時表現出波和粒子的性質。這個概念是量子力學的結果。

1905 年，愛因斯坦調和了惠更斯和牛頓的觀點。他透過假設光子的存在來解釋光電效應（光似乎沒有像波一樣起作用的效應），光子是具有粒子性質的能量量子。愛因斯坦假設光頻率 $f$ 與其光子的能量 $E$ 有關

${\begin{matrix}E=hf\end{matrix}}$

(2.3)

其中 $h$ 是普朗克常數 ($6.626\times 10^{-34}Js$).

1924 年，德布羅意聲稱所有物質都具有波狀性質。他將波長 $\lambda$ 和動量 p 聯絡起來

${\begin{matrix}\lambda ={\frac {h}{p}}\end{matrix}}$

(2.4)

這是上面愛因斯坦方程的推廣，因為光子的動量由下式給出

${\begin{matrix}p={\frac {E}{c}},\end{matrix}}$

(2.5)

其中 $c$ 是真空中的光速，並且 $f={\frac {c}{\lambda }}$.

德布羅意公式三年後透過引導一束電子（具有靜止質量）穿過晶格並觀察預測的干涉圖樣而得到證實。此後，對中子和質子進行了類似的實驗。最近進行類似原子和分子實驗的作者聲稱，這些更大的粒子也像波一樣起作用。這仍然是一個有爭議的話題，因為這些實驗者假設了波粒二象性的論點，並在其論點中假設了德布羅意方程的有效性。

普朗克常數 h 極小，這解釋了為什麼我們沒有感知到日常物體的類波性質：它們的波長極小。物質可以具有非常短的波長這一事實在電子顯微鏡中得到利用。

在量子力學中，波粒二象性解釋如下：每個系統和粒子都由狀態函式描述，這些函式對所有可測量變數的機率分佈進行編碼。粒子的位置是其中一個變數。在進行觀察之前，粒子的位置是根據機率波來描述的，這些機率波可以相互干擾。