3　粒子的波动性 (3).ppt

人教版物理选修3 5第十七章波粒二象性 第3节粒子的波动性 有记者曾问英国物理学家 诺贝尔获奖者布拉格教授 光是波还是粒子 布拉格幽默地回答道 星期一 三 五它是一个波 星期二 四 六它是一个粒子 星期天物理学家休息 那么光的本性到底是什么 光学发展史 粒子性 波动性 具有能量 具有频率 具有动量 h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁 一 光的波粒二象性 具有波长 二 粒子的波粒二象性德布罗意 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 1924年 26岁的德布罗意考虑到普朗克量子和爱因斯坦光子理论的成功 在博士论文 关于量子理论的研究 中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子 如电子 质子等 他提出实物粒子也具有波动性 这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波 二 粒子的波粒二象性 1 物质波 一个质量为m的实物粒子 以速率V运动时 即具有以能量 和动量p所描述的粒子性 同时也具有以频率 和波长 所描述的波动性 2 物质波的波长 频率 一切实物粒子都有波动性 实物粒子的波粒二象性的意思是 微观粒子既表现出粒子的特性 又表现出波动的特性 大量光子易表现波动性 少量光子易表现粒子性 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 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 h p 二 粒子的波粒二象性 8 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 4 德布罗意波的实验验证 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 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 动画 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 三 物质波的实验证据1 1912年 德国物理学家劳厄 利用X射线照在晶体上可以产生衍射X射线就是一中波长为十分之几纳米的电磁波 证实电子打在晶体上也能观察电子衍射 2 实物粒子的波动性 电子衍射实验1927年 戴维孙与汤姆孙利用晶体作电子束衍射实验 得到教材P38页图17 3 1的衍射图样 证实了电子波动性 为什么生活中的宏观物体没有显示波动性呢 例1 质量m 0 01kg 速度v 300m s的子弹的德布洛意波长为多少 结果表明 宏观物体 如子弹 的波动性根本测不出来 所以 宏观物体表现为粒子性 例2 电子动能Ek 100eV 质量m 9 1 10 31Kg 求德布罗意波长 解 电子动能较小 速度较小 用公式求解 可见 微观粒子的波动性较显著 如电子运动时 相当于X射线波段 1 23 一些粒子的物质波波长 子弹 粒子 已知条件 物质波波长 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 电子显微镜下的薰衣草叶子 15 电子显微镜下的纳米纤维 16 电子显微镜下的灰尘 电子显微镜下的红细胞 18 电子显微镜下的二分裂 19 小结 一 德布罗意的物质波 二 德布罗意波的实验验证 3 量子围栏 QuantumCorral 中的驻波 1 电子衍射实验1 2 电子衍射实验2 戴维逊 革末实验 G P 汤姆逊 电子衍射实验 三 物质波的应用 电子显微镜 例1 试计算动能分别为100eV 1MeV 1GeV的电子的德布罗意波长 解 由相对论公式 得 代入德布罗意公式 有 若 Ek m0c2则 21 若 Ek m0c2则 22 则 1 当EK 100eV时 电子静能E0 m0c2 0 51MeV 有 以上结果与X射线的波长相当 4 当EK 1MeV时 有 23 例2 质量m