高中物理 第十七章 波粒二象性 崭新的一页 粒子的波动性课件 新人教版选修35.ppt

17 3崭新的一页 粒子的波动性 1 教学目标 1 知识与技能 了解光的波粒二象性 了解粒子的波动性 2 过程与方法 培养学生的观察 分析能力 3 情感态度与价值观 培养学生严谨的科学态度 正确地获取知识的方法 重点难点 1 重点 粒子波动性的理解2 难点 对德布罗意波的实验验证 2 3 1923年 德布罗意最早想到了这个问题 并且大胆地设想 人们对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子 1 物质波的引入 光具有粒子性 又具有波动性 光子能量和动量为 上面两式左边是描写粒子性的e p 右边是描写波动性的 h将光的粒子性与波动性联系起来 一切实物粒子都有具有波粒二象性 2 德布罗意的物质波 德布罗意 duedebroglie 1892 1960 德布罗意原来学习历史 后来改学理论物理学 他善于用历史的观点 用对比的方法分析问题 1923年 德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来 1924年 在博士论文 关于量子理论的研究 中提出德布罗意波 同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法 爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义 誉之为 揭开一幅大幕的一角 法国物理学家 1929年诺贝尔物理学奖获得者 波动力学的创始人 量子力学的奠基人之一 4 能量为e 动量为p的粒子与频率为v 波长为 的波相联系 并遵从以下关系 这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波 物质波或概率波 其波长 称为德布罗意波长 5 一切实物粒子都有波动性后来 大量实验都证实了 质子 中子和原子 分子等实物微观粒子都具有波动性 并都满足德布洛意关系 一颗子弹 一个足球有没有波动性呢 质量m 0 01kg 速度v 300m s的子弹的德布洛意波长为计算结果表明 子弹的波长小到实验难以测量的程度 所以 宏观物体只表现出粒子性 6 由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去 得出物质波 德布罗意波 的概念 任何一个运动着的物体都有一种波与它对应 该波的波长 例1 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长 解 估计一个中学生的质量m 50kg 百米跑时速度v 7m s 则 由计算结果看出 宏观物体的物质波波长非常小 所以很难表现出其波动性 7 例2 1 电子动能ek 100ev 2 子弹动量p 6 63 106kg m s 1 求德布罗意波长 解 1 因电子动能较小 速度较小 可用非相对论公式求解 1 23 2 子弹 h 6 63 10 34 1 0 10 40m 可见 只有微观粒子的波动性较显著 而宏观粒子 如子弹 的波动性根本测不出来 8 一个质量为m的实物粒子以速率v运动时 即具有以能量e和动量p所描述的粒子性 同时也具有以频率n和波长l所描述的波动性 德布罗意关系 9 10 x射线照在晶体上可以产生衍射 电子打在晶体上也能观察电子衍射 1927年c j 戴维森与g p 革末作电子衍射实验 验证电子具有波动性 1 电子衍射实验1 戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶 电子束被散射 其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释 从而验证了物质波的存在 戴维逊 革末实验 11 1927年g p 汤姆逊 j j 汤姆逊之子 也独立完成了电子衍射实验 与c j 戴维森共获1937年诺贝尔物理学奖 2 电子衍射实验2 电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后 也象x射线一样产生衍射现象 此后 人们相继证实了原子 分子 中子等都具有波动性 12 3 量子围栏 quantumcorral 中的驻波 1993年克罗米 m f corrie 等人用扫描电子显微镜技术 把铜 111 表面上的铁原子排列成半径为7 13nm的圆环性量子围栏 并观测量到了围栏内的同心圆柱状驻波 直接证实了物质波的存在 注意 物质波被广泛用作探索手段 例核反应产生的中子 0 1nm 可作为晶体探测器 中子衍射显示的苯结构 13 l v 德布罗意 电子波动性的理论研究 1929诺贝尔物理学奖 1937诺贝尔物理学奖 c j 戴维孙 通过实验发现晶体对电子的衍射作用 14 15 物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明 第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡 e ruska 研制成功 荣获1986年诺贝尔物理奖 从波动光学可知 由于显微镜的分辨本领与波长成反比 光学显微镜的最大分辨距离大于0 2 m 最大放大倍数也只有1000倍左右 自从发现电子有波动性后 电子束德布罗意波长比光波波长短得多 而且极方便改变电子波的波长 这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜 三 物质波的应用 16 17 电子显微镜 18 电子显微镜下的薰衣草叶子 19 电子显微镜下的纳米纤维 20 电子显微镜下的红细胞 21 电子显微镜下的二分裂 22 小结 一 德布罗意的物