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波与粒

2019-12-28  zhaoyj6789

机械波就通过介质对震动的传播,也可以认为是对能量的传播。理论上,在同种均匀介质中,振动的传播是直线匀速运动,波速不变。波分为纵波和横波,纵波的特点是波的传播方向与质点的振动方向一致,例如敲锣时,锣的振动方向与波的传播方向是一致的。横波的特点是波的传播方向与质点的振动方向垂直。以上内容都是一种理想状态,与实际情况是有差别的。液体,气体介质不是超流体,介质的振动质点间存在粘连粘滞性,例如广播喇叭形成的声波,水波(表面波)的扩散并非只在某一特定方向传播,而只是分主次方向甚至放射状传播。传播中波会由于能量的损失而衰减:波的振幅变小,波长变长,最终波会消失。例如声波在介质中传播时,因波束发散,吸收,反射,散射等原因,使声能在传播中逐渐减少。介质中质点的横向振动,必然会引起相邻质点的纵向的轻微位移;而质点的纵向振动,也会引起相邻质点的横向轻微位移。振动源的能量,引起传递介质的众多质点在动能和弹性势能的相会转化的振动过程中使能量传递下去。声波,水波,地震波并非是严格的横波或纵波,而是既有横波又有纵波的复杂类型的机械波,波在传播过程中,都是由震源开始做振幅逐渐减小的阻尼运动,波逐渐衰减。固体能够传播横波,是依靠媒介内部发生剪切变形并产生使媒介质点恢复原位原状的剪切弹性力来实现的。液体表面形成的水波是由于重力和表面张力形成的。机械波的波速=波长×频率,横波的质点的横向振幅与波长、频率并没有关联,绝对的机械横波并不存在。

由麦克斯韦方程组解出的经典的电磁波是横波:二维平面内的电场和磁场互相垂直,然后波的传播方向和电磁场相互垂直。百度百科这样解释:电磁波,是由相互垂直的电场和磁场在空间衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二相性。由麦克斯韦方程组可解出电磁波在真空中速度为光速,并且为横波。

根据基尔霍夫(1824—1887)电流定律:对于电路上任一节点,流入节点的电流之和恒等于流出节点的电流之和。而电路中存在一个小电容时,或者一小段导线接入电路时,几乎测不到电流的移动,但这一小段导线会瞬间获得一定的电位。如果以电容的一块极板为一个节点,是不符合基尔霍夫电流定律的,一小段导线接入电路后瞬间获得的电位,似乎也违背电流定律。麦克斯韦(1831—1879)提出了位移电流的概念,此概念并非主要来源于物理意义,而主要来源于方程的需要。在电磁学中,位移电流定义为电位移通量对于时间的变化率。麦克斯韦认为,位移电流和传导电流以相同的方式激发磁场,位移电流等效于电容极板间变化的电场,变化的电场在其周围空间可以激发磁场。由于通讯信号的发射天线电路并非是一个闭环,而是类于电容的形式——发射天线为电容极板的一极,大地及与大地相连同电位的物体为另一极。电路中存在断点,这样就似乎不符合基尔霍夫电流定律。其实电流定律并非是绝对的,例如给铅酸蓄电池充电时,如果将其一个电极视为电路的一个节点,显然是违背电流定律的。位移电流的概念适用于电路的中断点处,电路的导线中还是存在传导电流的,这样,电路导体中的传导电流和断点处的位移电流共同形成了全电流连续。1865年,麦克斯韦完成了电磁理论的经典巨著《论电和磁》,并出版于1873年。在书中,他预言了电磁波的存在,电磁波是横波,并推导出电磁波的传导速度等于光速,同时认为,光是电磁波的一种形式。在麦克斯韦去世10年后,赫兹用电波环验证了电磁波的存在,以后人类又发展出了无线电通讯的实用科技。固体能够传播横波,是因为固体具有剪切弹性变形能力,固体中的质元是波的传播媒介。电磁波的横波,是指交变的电磁场和波的传播方向互相垂直,电磁场是电磁波的传播媒介,这是与固体横波的不同之处。电磁场不可能再去分解为质点的震动,只能由代表电磁场强度大小的矢量来表示质点的震动。1884年,坡印廷建立了能流密度的概念,并建立了坡印廷矢量的表达,指出电磁波的传递就是电磁场通过界面的能量流出。在经典电磁理论中,电场和磁场总是与电荷和电流相伴生,而电磁波传递中,却只有交变的电场和磁场。如果交变电磁场中一定量的电磁能定义为一个电磁子,将电磁波中的电磁能进行量子化和数量化,这样就与量子论中光量子理论汇通了起来,将电磁子的冲量与光量子的冲量等同起来。通讯用无线电波的频率和波长,是由信号发射设备决定的,是为了发射,检测,利用物质的物理规律人为赋予的。无线电波(波长3000—0.3毫米)的这种量化为电磁子,是一种虚化,代表的是一份能量。主要还是体现波的特性,更不能表现出电子的粒子性。电视信号发射塔电磁波的频率是由发射电路中的高频交流电的频率决定的,而波长则是光速/频率。

在现代的实用技术中,发射(接收)天线的长度为无线电波波长的1/4时,具有最佳的发射(接收)效率。发射信号的天线的极化方式有水平极化,垂直极化。卫星发射或接受信号的高频头中的极化针有左旋,右旋等,同时还要利用到锅面对电磁波信号的聚焦反射。在实用通讯技术中,电磁波是横波并无体现。物理方程是去套和解释实验结果,不能以数学方程去代替对物质的物理意义上的分析与探讨。自然光经过偏振片时,只允许平行于偏振片偏振化方向的振动通过,同时过滤掉垂直于该方向震动的光。在这里,经典理论中的电磁场用电矢量来表达,同时不再提电场和磁场的互相垂直。如果强调电场磁场的垂直关系,那么电场能通过偏振片,磁场将被滤掉;反之,磁场能通过,电场将被滤掉。此时,电场和磁场应该合成一个电磁矢量,这样,就能通过起偏片的选择,而择偏片随着角度的不同,允许偏振的电磁矢量通过量不同。量子理论中,光子,电子都具有波粒二相性,但电子是实物粒子,光子为能量子。在光量子的能量公式:E=hv中,光量子具有频率,显然是从波的角度定义的,因而此处的子不同于电子的子,是波粒一体的概念。有人认为光子是个圆环,有人认为光子是个螺旋式的能量团。而在对激光的研究中,又有人认为激光可用艾里函数表达,是一个艾里波列。德布罗意物质波原本是受光的波粒二相性的启发,但电子,质子的概念中半径的存在使其与波的概念是分开的,因而有物质波的波粒互补性,概率波的解释。但光子不严格的模糊的定义,使得光子这种电磁波与电子的物质波出现区别。

电磁波包括:无线电波,波长3000—0.3毫米(微波0.1—100厘米);红外线0.3毫米—0.75微米;可见光0.7微米—0.4微米;紫外线0.4微米—10纳米;X射线10纳米—0.1纳米;γ射线0.1纳米—1皮米;高能射线小于1皮米。分子的直径一般为0.1纳米,原子的直径则更小些。X射线的波长和分子直径有点接近,而红外线,可见光的波长要比分子直径高3—6数量级。如此巨大的长度差异,使得爱因斯坦的光量子更具有波的概念,因为可见光的波长相当于数千至数百万个分子的直径。而光的频率和波长,又是由人类所能制造的电子设备及仪器测量出来的,人类所能制造电子仪器和设备的震荡频率是有极限的。因而,人类对物理规律,物质特性的认知是和人类所依赖的测量工具密不可分的。

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