2014级大学物理期末课程论文范例

大学物理期末课程论文学号：XXXXXXXXX姓名：XXX【题目】德布罗意与物质波的发现【摘要】本文介绍了德布罗意发现物质波的经过，探讨其带来的新的科学方法，以及对未来研究的思索与启示。【关键词】德布罗意物质波科学方法启示【Abstract】ThearticledescribesthepassesofhowdeBrogliefoundthematterwave，andexplorethenewscientificmethodstobring,aswellasreflectionsandinspirationforfutureresearches.【KeyWords】deBrogliematterwavescientificmethodsinspiration【正文】1简介L.德布罗意（Louis-vectordeBrogile,1892-1987）是波动力学的伟大先驱之一,1929年，他因为发现电子的波动性而获得了诺贝尔物理学奖。他的成长历程充满了传奇：从文才到战士，从历史系的文科生到波动力学之巨擎，其人其事令人称奇。在20年代初，他在当时上无实验支持的情况下，大胆的断言所有物质皆具有波粒二相性，并创立了物质波理论，完成了波和粒子观念的伟大综合,为波动学的建立奠定了基础。L.德布罗意还在量子力学、相对论、非线性理论以及他的治学方法都给我们留下了丰富的科学遗产。2成就的背后L.德布罗意1892年8月15日出生于法国塞纳河畔一座名叫迪埃善的小城镇里，他的祖先居住在意大利同法国接壤的皮蒙性高原上，是那里的名门望族。自17世纪起，家族一直在军事,政治上替法国效力，其中有许多人政界和军事界功绩卓著而受封赏，因此，整个家族的名声显赫于整个法国。L.德布罗意的父亲维克多.德布罗意（victordebroglie）公爵是家族第一位公爵的第七代子孙，是一位卓越的政治家，曾担任过法国首相等要职。维克多共有五个子女，长子M.德布罗意（MauricedeBroglie，法国著名的x射线专家），次子L.德布罗意。1906年，维克多因病去世，从此，比L.德布罗意年长17岁的M.德布罗意就担负起父亲的责任，并照料着他的生活及教育，同时也在改变L.德布罗意的生活。M.德布罗意早年毕业于马塞大学，1908年从海军退役下来，此后他一边在法国著名的物理学家郎之万（paullangerin）的指导下攻读博士学位，一边在自己的私人实验室里从事他酷爱的物理实验研究。父亲的去世意味着哥哥直接影响，引导着弟弟，也意味着弟弟对科学有最近距离的接触。在中学时期，L.德布罗意就已显露出他的文学才华，那时最感兴趣的学科是历史。1909年，L.德布意罗去巴黎大学文学院，学习历史。1910年，仅仅用了一年的时间，年仅18岁的他就获得了历史学位，并因成绩优秀，而留在巴黎大学文学院任教。在法国，自那破仑时期就已经掀起了崇尚科学的热潮。虽然近代科学的中心已不在法国，但是法国科学界依然人才辈出，譬如：布里渊，朗之万和庞加莱等著名物理学家。这些社会因素给L.德布罗意走上科学道路提供了先决条件。当L.德布罗意还在学习历史的时候，他就拜读了庞加莱的名著《科学的价值》和《科学与假设》，著作中的物理问题以及哲学问题吸引了他，并且产生了浓厚的兴趣。后来L.德布罗意回忆说：是哲学归纳法和庞加莱的著作把他引到科学的征途的。哥哥M.德布罗意的影响是L.德布罗意走上科学之路的重要因素。并对L.德布罗意坚定学习物理起着自关重要的作用，不仅是他的工作使L.德布罗意耳闻目染，还直接最快的让L.德布罗意获得物理学方面的重要的资料。值得一提的是，在1911年秋，首届索尔维（solvary）会议在布鲁塞尔召开，M.德布罗意以秘书的身份参加了会议。会议的议题是辐射理论和量子。爱因斯坦，普郎克等一批世界级的物理学家在会议上做了精彩的发言。并且科学家们还进行了热烈的讨论。后来M.德布罗意整理了会议的报告和会议记录，其中就有普郎克关于黑体辐射的报告，爱因斯坦的固体化热的研究的报告。L.德布罗意从他哥哥那里得到了会议的全部资料，并且对量子之迷产生了极大的兴趣。几十年后L.德布罗意回忆到：在我血气方刚的岁月里，非常热衷于那些曾被讨论的问题，决心尽我毕生精力去解开迷人的量子之迷，这量子之迷早在10年之前就被普郎克引入到理论物理中。在这些外界因素的作用之下，L.德布罗意彻底放丢了历史，走进了物理的殿堂。1911年底，L.德布罗意转入到巴黎大学科学院学习物理，他自学了所有的物理基础知识以及庞加莱，洛伦兹，朗之万，玻尔兹曼和吉布斯等科学家的经典著作。并且研究了普郎克和爱因斯坦关于量子论和相对论的论文。这使他大大提高了专业水平，并掌握了近代物理的精髓，了解到当时物理学的前沿。这使他后来研究的方向成为必然。经过刻苦努力短短的两年时间,L.德布罗意于1913年就取得了科学学位，这也显露出他的科学才能。也就在L.德布罗意取得科学学位的当年，他遵照法国法律应召入伍。不久第一次世界大战爆发，他不得不滞留在部队里，直到1919年为止。他在法国服役期间主要是在埃菲尔铁塔及其附近从事无线电技术方面的维护和修理工作。这也使得有机会亲身从事科学实践的乐趣和价值。但对物理的研究中断了6年，对他来说，对物理界来说都是巨大的损失。M.德布罗意回忆说：懊悔于他的思考关于量子理论和相对论的基本问题的打断，他抱怨他的原动力曾被摧毁，而且花了他好几年的时间才恢复过来。第一次世界大战结束后，L.德布罗意全身心的投入物理学的研究之中。1920年-1924年，他在朗之万的指导下攻读物理学博士学位，此外抽分时间到哥哥的实验室从事x射线实验研究。就是在这段时间里他为物理学做出了重大贡献。3．物质波理论的诞生十九世纪末期，物理学理论在当时看起来以发展到相当完善的阶段。那时，一般的物理现象都可以以相应的理论加以解释说明：运动现象有牛顿力学的规律；电磁现象总结为麦克斯韦方程；光现象有光的波动理论，后来也总结为麦克斯韦方程；热现象有玻尔兹曼，吉布斯等人建立的统计物理学。在这种情况下，当时许多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露，剩下的工作只是将这些规律的应用问题。这种把当时物理学的理论认为最终理论的观点显然是错误的。就在物理理论取得上述重大成就之时，人们发现新的物理现象，如：黑体辐射能量得分布，光电效应，原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等现象。这些现象用经典理论无法做出完全的解释。如：维恩（wien），瑞利（rayleigh）和金斯（jeans）分别运用热力学和经典电动力学和统计物理来研究黑体辐射能量分布，但研究的结果不完全符合。一部分科学家有开始进行新的探索，并很快就有大的发现。1900年普郎克（planc）引进了量子的概念。他假定黑体是以为能量单位不连续地发射和吸取频率为的辐射，能量单位称为能量子，h是普郎克常数（h=6.626×10-34）j×s，基于这样的假定，普郎克得到了于实验结果符合得很好的黑体辐射公式。这样很好的解决了黑体辐射问题。后来，第一个肯定光除了波动性外，还具有微粒性的爱因斯坦（einstain）用光电子（或光子）成功解释了光电效应，（同样运用e=hu）。接着康普顿（compton）效应的发现，进一步证实了光具有粒子性，也就在那个时期，玻尔也建立原子结构的玻尔理论，玻尔的理论虽然取得一些成就，但他也存在着很大的困难。这个理论只能应用到简单的氢原子，并且这个理论只能求出谱线的频率，而不能求出谱线的强度。这些伟大成就的不足，也就预示着，促进着一种理论的诞生。L.德布罗意在吸收这些新理论的同时，并且做出进一步的推断。1922年11月，L.德布罗意一篇题为《黑体辐射与光量子》的论文，这是他物质波理论诞生的先声。德布罗意在文中采用了爱因斯坦的光量子假设，但也有不同之处。他把光视作为由静止质量为m。，速度v=cβ(β=v/c)的光原子构成的气体，其中β非常接近1，m0极小，他估计m0=10-50g，但不为零。基于这个观点，他把一个有静止质量的光原子同一个能量子hυ联系起来，即w=hυ=mc^2,进一步推导出p=mv=h/λL.德布罗意这两个方程式含义是深刻而伟大的，它暗示着德布罗意的光原子具有波粒二象性，于是，这就为他辅设了通向光和物质都具有波粒二象性的道路。从1922年到1923年夏，德布罗意一直在思考能否将他的光原子的波粒二象性推广到一般物质，特别是电子上呢？这是一个重大而独创的问题，1923年夏，L.德布罗意跨越了革命性的一步。仅在两个月内他连续在法国科学院会议通报上发表了3篇重要的论文，公布了他的理论。物质波理论终于诞生了。第一篇《波与量子》在文中，德布罗意考虑了一个静止质量为m0，速度v=cβ的粒子的运动，他认为该粒子应存在着一个内在周期性现象，在以速度为v运动的参照系中，粒子的内频率应为，但从静止的观察者来看，粒子应有两种不同的周期频率,根据相对论效应，观察者测得频率却是虽然r1与r之间存在差异，为解决这个问题。德布罗意引入虚波，这个与运动粒子相缔合的虚设波，相速度c/β和频率v传播，并证明了：只要粒子的内在周期性与虚设波在一时刻相位相同的话，那么由于，则他们将总是同相位的，并且给出位相相同的必要条件：虚设波必定要以相速度c/β传播，这样通过引入虚设波将粒子在运动时的内在周期性现象与粒子运动之间联系起来。接着，德布罗意将他的虚设波引用到原子中的电子上。只有假设电子的虚设波与电子的内在周期性现象有相同的相位，那么就可以得出电子的运动是稳定的，而这一稳定条件与玻尔--索末非的量子条件不谋而合。同时，这也给玻尔--索莫非的量子条件提供了一种合理的物理解释。第二篇论文是《光量子衍射与干涉》，在文中他提出，因为虚设波的相速度c/β高于c，会阻碍它携带任何能量，并且他证明了粒子的运动速度严格的等于相波的群速度。在文中他还将虚设波改称为相波。这是他将相波同运动的粒子联系在一起，他指出光的衍射与干涉现象是由于光原子在通过狭缝时它各自的相波相互干涉所致，并且他大胆的预言：通过足够小的小孔的一束电子应该也存在衍射现象。这也是他明确地提出了电子具有波动性。之后，德布罗意将它的理论进一步的推广到所有的粒子。也就是第二篇论文发表的第三十天，德布罗意发表了《量子，气体分子与运动论和费马原理》。在文中他以更加准确的方式重新阐述了他的相波理论：……相波与任何粒子相联系，并且粒子的内部周期性总是相同；相波的频率和速度由粒子的能量和速度所决定。他还在文章的结尾探讨了费马原理与建立波动力学的关系。这篇文章L.德布罗意完善了它的物质波理论。这些文章发表之后并没有引起科学界足够的重视,甚至还有讽刺的言论。但L.德布罗意顶着社会的压力，坚持自己的观点。1924年11月，L.德布罗意向巴黎大学科学院提交了的博士论文《量子理论的研究》。在这篇文章里L.德布罗意系统整理并完善了它的物质波理论。后来，后来爱因斯坦看到这篇论文后赞叹道：“序幕的一角被L.德布罗意揭开了”。4年之后（1927年）戴维孙和革末以及汤姆孙分别进行了电子束在晶体上的衍射试验，证实了德布罗意关系的正确，明确了电子的波动性，L.德布罗意当年就登上了物理学的最高奖台，之后科学家们很快地用实验证明了中子、质子、原子等微粒都具有波动性，这就进一步证明了物质波理论的正确性。物质波理论的提出并被确认，是一种开拓性的工作，具有深远的意义：一）物质波的发现给科学界思想上一次深刻的革命。使人们认识到物质波的诞生和发展过程，是充满了矛盾和斗争的过程。一方面，新现象的发现暴露了微观过程内部的矛盾，推动人们突破经典论文的限制，提出新的理论；另一方面，不少的人，包括对物理学有过贡献的人，他们的思想不能随变化了的客观情况而变化，不愿承认经典理论的局限性，总是企图把新发现的现象或提出的新思想纳入经典物理论的框架之内。在经典物理中，我们说的粒子是指它具有质量、电荷、自旋等个体性，而且具有确定的位置和动量，即粒子的运动具有确定的轨道。而物质波理论的诞生完全打破了这种粒子的定义。使人们对微观客体的认识更深入，更本质。二）物质波理论间长期以来被认为性质完全不同的两个物理概