什麼是德布羅意波長?
1924 年,路易·德布羅意(Louis de Broglie)提出每個運動中的粒子都伴隨著一道波。這道波的波長就稱為德布羅意波長,其大小與粒子的動量成反比。這個概念是量子力學的基石之一,也解釋了電子繞射等現象。本計算機適用於任何粒子,採用非相對論性動量(\(p = mv\))進行計算。
如何使用這個計算機
請輸入粒子的質量(單位為公斤)與速度(單位為公尺/秒)。計算機會以科學記號算出波長(公尺),並同時換算成奈米,還會顯示所使用的動量值。以電子為例,質量約為 \(9.109 \times 10^{-31}\ \text{kg}\);質子約為 \(1.673 \times 10^{-27}\ \text{kg}\)。
公式說明
兩者的關係為 $$\lambda = \frac{h}{m \cdot v}$$ 其中 \(h\) 是普朗克常數(\(6.62607015 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s}\)),\(m\) 是質量,\(v\) 是速度。由於動量 \(p = m \cdot v\),因此這個式子也等同於 \(\lambda = h / p\)。質量越大或速度越快的粒子,波長就越短,這正是日常物體觀察不到波動行為的原因。
範例演算
假設一顆電子(\(m = 9.10938356 \times 10^{-31}\ \text{kg}\))以 \(v = 2.18 \times 10^{6}\ \text{m/s}\) 運動。動量 $$p = 9.10938356 \times 10^{-31} \times 2.18 \times 10^{6} \approx 1.9858 \times 10^{-24}\ \text{kg}\cdot\text{m/s}$$ 接著 $$\lambda = \frac{6.62607015 \times 10^{-34}}{1.9858 \times 10^{-24}} \approx 3.337 \times 10^{-10}\ \text{m}$$ 約等於 \(0.334\ \text{nm}\)——與原子間距相當,這也說明了為什麼電子能在晶體中產生繞射。
常見問題
這有考慮相對論效應嗎?沒有。本計算機採用古典動量 \(p = mv\),對於遠低於光速的速度相當準確。當速度接近光速時,就應改用相對論性動量。
我該使用哪些單位?質量用公斤、速度用公尺/秒,算出的波長即為公尺。為方便起見,工具同時會提供奈米的結果。
為什麼大型物體的波長這麼小?因為普朗克常數極其微小,所以日常的大質量物體其波長遠低於任何可測量的尺度,因此表現出古典的行為。