量子、原子與核物理(入門)

德布羅意波長

/ duh BROY /

德布羅意波長(de Broglie wavelength)是任何運動中的物質——電子、原子,甚至一顆投出的棒球——所攜帶的隱藏波所對應的波長。日常畫面:既然光能表現得像粒子(光子),德布羅意(Louis de Broglie)在 1924 年主張,那粒子也應該表現得像波,每一個運動的物體都該有一個波長。它回答的問題是:那道波有多長,而我們為什麼從沒看過板球起漣漪?

精確地說,德布羅意波長等於普朗克常數除以物體的動量:lambda = h / p,其中對慢速物體 p = m v(質量乘速度),h 是普朗克常數。由於 h 極小(約 6.63 x 10^-34 J s),又重又快的物體動量巨大,因此波長小到永遠無從察覺。只有像電子這種極輕又慢的東西,波長才大到足以顯露繞射等波的行為。

為什麼重要:德布羅意的猜想在三年內就獲得證實——把電子射向晶體,果然產生如波一般的繞射圖樣。這正是電子顯微鏡的運作原理:利用高速電子的短波長,看見遠比光更細緻的細節。誠實的提醒:棒球確實有德布羅意波長,但約為 10^-34 公尺,比原子還要小到難以想像,因此它的波動性完全偵測不到,這也是為什麼日常世界看起來如此扎實地像粒子。

一顆被 100 伏特加速的電子,其德布羅意波長約 0.12 奈米,恰與晶體中原子的間距相當,這正是這類電子會被晶體繞射、並讓我們得以成像原子的原因。

慢速電子的波長與原子相當;棒球則不然。

萬物都有德布羅意波長,但對巨觀物體而言它小得驚人,這正是波動行為只在極小、極輕的粒子上現身的原因。

又称
matter wavelength物質波波長