FHSST 物理/波/电磁应用

波的实际应用：电磁波

在物理学中，波粒二象性认为光和物质同时表现出波和粒子的性质。这个概念是量子力学的结果。

1905 年，爱因斯坦将惠更斯观点与牛顿观点调和起来。他解释了光电效应（一种光似乎不表现为波的效应），方法是假设存在光子，即具有粒子性质的能量量子。爱因斯坦假设光的频率 $f$ 与其光子的能量 $E$ 相关

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

(2.3)

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

1924 年，德布罗意声称所有物质都具有波的性质。他将波长 $\lambda$ 和动量 p 联系起来

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

(2.4)

这是上面爱因斯坦方程的推广，因为光子的动量由下式给出

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

(2.5)

其中 $c$ 是光在真空中的速度，并且 $f={\frac {c}{\lambda }}$.

德布罗意公式在三年后得到证实，方法是引导一束电子（具有静止质量）穿过晶体格栅并观察预测的干涉图案。此后，用中子和质子进行了类似的实验。最近用原子和分子进行类似实验的作者声称，这些更大的粒子也表现得像波一样。这仍然是一个有争议的话题，因为这些实验者假设了波粒二象性的论据，并在他们的论证中假设了德布罗意方程的有效性。

普朗克常数 h 极小，这解释了为什么我们没有感知到日常物体的类波性质：它们的波长极小。物质可以具有非常短的波长这一事实在电子显微镜中得到了利用。

在量子力学中，波粒二象性解释如下：每个系统和粒子都由状态函数描述，状态函数对所有可测量变量的概率分布进行编码。粒子的位置是其中一个变量。在进行观察之前，粒子的位置用概率波来描述，概率波可以相互干涉。