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物質波と不確定性関係md b73685c
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物質波ぶっしつはと不確定性ふかくていせい関係かんけい

date2026-07-14document_iddoc_9e0b05a43935088d1829d2b6174199cadescription物質波をド・ブロイ波長として定義し、加速電子の波長とボーア量子条件の定常波解釈、不確定性関係の意味を整理する講義である。prerequisites波の基本 / 定常波の基本 / ボーア模型の基本 / 運動量と力積 / 電場と電位type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/modern/modern-physics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/modern/introduction-to-atoms-and-quanta.lecture.n.md / data/lecture/physics/modern/bohr-model-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/waves/standing-waves-basics.lecture.n.md
physicsmodernmatter-waveuncertaintylecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、光ひかりが粒子りゅうしのように振ふる舞まうだけでなく、電子でんしのような粒子りゅうしも波なみのように振ふる舞まうという見方みかたを紹介しょうかいする。

光電効果こうでんこうかでは、波なみだと思おもっていた光ひかりに粒子性りゅうしせいが現あらわれた。物質波ぶっしつはでは、粒子りゅうしだと思おもっていた電子でんしに波動性はどうせいが現あらわれる。この 2 つを合あわせて、量子りょうしでは粒子りゅうしと波なみを古典的こてんてきに切きり分わけられないと理解りかいする。

2用語ようごと定義ていぎ

物質波ぶっしつはmatter waveとは、粒子りゅうしに対応たいおうする波なみとしての性質せいしつである。

ド・ブロイ波長はちょうde Broglie wavelengthとは、運動量うんどうりょう p の粒子りゅうしに対応たいおうする波長はちょう

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λ=hp

である。

不確定性ふかくていせい関係かんけいuncertainty relationとは、位置いちの不確定ふかくていさ Δx と運動量うんどうりょうの不確定ふかくていさ Δp が

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔxΔp≳ℏ

のような下限かげんをもつ、という関係かんけいである。厳密げんみつには定義ていぎの取とり方かたにより係数けいすうが変かわり、標準偏差ひょうじゅんへんさを用もちいる量子力学りょうしりきがくでは ΔxΔp[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]ℏ/2 と書かく。

3方針ほうしん

物質波ぶっしつはでは、粒子りゅうしの運動量うんどうりょうから波長はちょうを求もとめる。したがって最初さいしょに見みるべき量りょうは速はやさではなく運動量うんどうりょうである。

電子でんしが電圧でんあつで加速かそくされる問題もんだいでは、まず電気的でんきてきなエネルギー eV を運動うんどうエネルギーへ変換へんかんし、そこから p を求もとめ、最後さいごに λ=h/p を使つかう。

4関係式かんけいしき 1:加速電子かそくでんしのド・ブロイ波長はちょう

電子でんしが電圧でんあつ V で静止せいしから加速かそくされ、相対論的そうたいろんてきな補正ほせいを無視むしできるとする。このとき電子でんしのド・ブロイ波長はちょうは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λ=h2meV

である。

4.1証明しょうめい

電気量でんきりょうの大おおきさが e の電子でんしが電位差でんいさ V で加速かそくされると、電場でんばから受うけ取とるエネルギーは

eV

である。静止せいしから出発しゅっぱつし、失うしなわれるエネルギーがないとすれば、これが運動うんどうエネルギーになる。

12mv2=eV

非相対論的ひそうたいろんてきには p=mv なので、

p2=m2v2=2meV

である。したがって

p=2meV

である。ド・ブロイ関係かんけい λ=h/p を使つかうと、

λ=h2meV

を得える。

5条件じょうけん 2:ボーアの量子条件りょうしじょうけんの定常波ていじょうは解釈かいしゃく

円軌道えんきどうの円周えんしゅうに電子でんしの物質波ぶっしつはが整数回せいすうかいだけ収おさまるとすると、ボーアの量子条件りょうしじょうけん

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]mvr=nℏ

が得えられる。

5.1証明しょうめい

半径はんけい r の円軌道えんきどうの円周えんしゅうは

2πr

である。物質波ぶっしつはが定常波ていじょうはとして閉とじるには、円周えんしゅうが波長はちょうの整数倍せいすうばいであればよい。

2πr=nλ

ド・ブロイ関係かんけい λ=h/p を代入だいにゅうすると、

2πr=nhp

である。p=mv とすると

2πr=nhmv

である。両辺りょうへんに mv を掛かけて、

2πmvr=nh

を得える。ℏ=h/(2π) なので、

mvr=nℏ

である。

6不確定性ふかくていせい関係かんけいの意味いみ

不確定性ふかくていせい関係かんけいは、測定器そくていきが粗あらいから分わからない、という主張しゅちょうではない。量子状態りょうしじょうたいそのものが、位置いちを鋭するどく定さだめるほど運動量うんどうりょうの幅はばを広ひろげる、という性質せいしつをもつ。

波なみで考かんがえると、この理由りゆうは自然しぜんに見みえる。長ながく広ひろがった正弦波せいげんはは波長はちょうが明確めいかくで、したがって運動量うんどうりょうも比較的ひかくてき明確めいかくである。しかし、その波なみは空間くうかんのどこにあるかを鋭するどく指定していできない。逆ぎゃくに、狭せまい範囲はんいに局在きょくざいした波なみを作つくるには、多おおくの波長はちょうを重かさねる必要ひつようがあり、運動量うんどうりょうの幅はばが広ひろがる。

この講義こうぎでは、不確定性ふかくていせい関係かんけいを量子力学りょうしりきがくの基本原理きほんげんりとして使つかう。厳密げんみつな証明しょうめいには、波動関数はどうかんすうとフーリエ解析かいせきが必要ひつようである。

7具体例ぐたいれい:電子回折でんしかいせつ

電子でんしを結晶けっしょうへ当あてると、回折かいせつや干渉かんしょうの模様もようが現あらわれる。回折かいせつは波なみに特有とくゆうの現象げんしょうなので、これは電子でんしが物質波ぶっしつはとして振ふる舞まうことを示しめす。

電子でんしの運動量うんどうりょうが大おおきいほど λ=h/p は小ちいさくなる。そのため、高たかい電圧でんあつで加速かそくした電子でんしほど波長はちょうは短みじかい。

8見分みわけ方かた

  • 粒子りゅうしの波長はちょうが問とわれたら、まず λ=h/p を使つかう。
  • 電圧でんあつで加速かそくされた電子でんしなら、まず eV=mv2/2 で運動量うんどうりょうを求もとめる。
  • 円軌道えんきどうと定常波ていじょうはが出でたら、2πr=nλ を立たてる。
  • 位置いちと運動量うんどうりょうを同時どうじに鋭するどく問とわれたら、不確定性ふかくていせい関係かんけいを確認かくにんする。

9どこまで成立せいりつするか

λ=h/p は量子りょうしの基本関係きほんかんけいである。加速電子かそくでんしの公式こうしき λ=h/2meV は、非相対論的ひそうたいろんてきで、初速しょそくを無視むしでき、エネルギー損失そんしつがない場合ばあいに使つかう。電圧でんあつが非常ひじょうに大おおきい場合ばあいは、相対論的そうたいろんてきな補正ほせいが必要ひつようになる。

10最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λ=hp
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]λ=h2meV非相対論的な加速電子
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]2πr=nλ⇒mvr=nℏ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔxΔp≳ℏ

11一言ひとこと

物質波ぶっしつはは、粒子りゅうしの運動量うんどうりょうを波長はちょうへ翻訳ほんやくする見方みかたであり、ボーアの量子条件りょうしじょうけんにも定常波ていじょうはとしての意味いみを与あたえる。

12関連かんれんリンク

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