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科學

德布羅意波長計算機(λ = h / p)

德布羅意(Louis de Broglie)1924 年提出:任何具有動量 p 嘅粒子都對應一個物質波,波長 λ = h / p,其中 h = 6.626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s 為普朗克常數。呢個關係係波粒二象性嘅核心,亦係電子顯微鏡(電子波長 ≈ 0.001 nm,比可見光細 10 萬倍)同中子繞射技術嘅理論基礎。

De Broglie wavelength λ

Momentum p = m · v

kg·m/s

Kinetic energy KE = ½ m v²

Wavelength scale reference

h = 6.626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s (exact since the 2019 SI redefinition). Uses the non-relativistic momentum p = m·v; for v approaching the speed of light, switch to the relativistic momentum γm·v.

Formula

λ = h / p = h / (m · v);動量 p = m · v;動能 KE = ½ m v²

Frequently asked

點解網球冇明顯嘅波動行為?

網球質量太大、動量太大,λ = h / p ≈ 5 × 10⁻³⁴ m。要觀察繞射,狹縫寬度需同波長同階;冇任何物理結構咁細,所以宏觀物體嘅波動效應實際上無法檢測,行為等同經典粒子。電子質量比網球細 10³¹ 倍,動量自然小好多,λ 就落喺埃(Å)尺度,原子晶格剛好做到「狹縫」。

幾時要用相對論版本?

當粒子速度接近光速 c = 2.998 × 10⁸ m/s 時,動量 p = m v 嘅誤差會明顯。粗略判斷:v / c < 0.1(即 < 3 × 10⁷ m/s)時非相對論版本誤差 < 0.5%;v / c = 0.5 時誤差約 15%;v / c = 0.9 時要用相對論 p = γ m v(γ = 1 / √(1 − v²/c²),呢度 γ ≈ 2.29),結果差成 1 倍以上。電子顯微鏡 100 kV 對應 v ≈ 0.55 c,已經要用相對論修正;本工具只適合教學示範同低速粒子(中子、慢電子)。

波長同動能嘅關係係點?

結合 p = m v 同 KE = ½ m v² = p² / (2m),可得 λ = h / √(2 m · KE)。所以動能升 4 倍,波長減半;動能升 100 倍,波長變 1/10。電子加速電壓 V 賦予 KE = eV,對應 λ ≈ 1.226 / √(V/V_volt) nm(非相對論版本):50 V → 0.17 nm、150 V → 0.10 nm、10 kV → 0.012 nm — 呢條公式正係 Davisson-Germer 1927 年電子繞射實驗嘅理論預測。

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