3　粒子的波动性.pptx

粒子的波动性 光的干涉 衍射等现象说明光表现的像波 光电效应和康普顿效应说明光像粒子 像一种球体 光究竟是粒子还是波 一个类比例子 3 月初的月亮像镰刀 月满的月亮像圆盘 月球 一 光的波粒二象性 波或粒子是描述宏观世界现象建立的物理模型 两类模型在各自的范围适用很好 建立的规律能够准确描述宏观世界现象 面临新现象 人们总是希望借助旧有的观念去描述 难以确切的描述 把旧观念强加到新发现 不能全面反映新现象的性质 显得别扭 容易导致理解上的困难 4 借用根据宏观现象建立的概念描述微观粒子是不准确的 无法全面描述微观粒子的属性 光是微观世界研究的对象 用波或粒子模型描述光 只能反映光的一面 将波或粒子概念强加于光这一对象 只能解释光性质的一个方面 只能导致理解的困难和认识的混乱 5 全面准确描述光的性质 需将波和粒子两种模型结合 即光具有波粒二象性 6 科学家拍摄到的可见光的单个波形图像 2004年 光子 光无法想象光的形状 光的波粒二象性体现在能量和动量的表达式中 能量e hv动量p h 能量和动量是粒子具有的概念 不能说波的能量和动量是多少 波长和频率是描述波用到的概念 光具有波粒二象性 普朗克常量h架起了粒子性与波动性的桥梁 7 二 粒子的波动性 L V 德布罗意1892年8月15日出生于法国塞纳河畔迪埃普的一个世袭贵族家庭 其祖先因公受封 拜为公爵 头衔世袭罔替 德布罗意家族显赫于政界 军界 近二百年为国家提供了一位总理 一位国会领袖 多为部长和驻外大使 为军队提供了三位上将和多为高级军官 到20世纪 L V 德布罗意与哥哥M 德布罗意 MauricedeBroglie 1875 1960 一反家族传统 转向科学事业 取得杰出成就 受到世人更加广泛的尊敬 8 路易 德布罗意L V deBroglie1892 1987 M 德布罗意的博士论文导师是著名物理学家朗之万 PaulLangevin 1872 1946 其主要贡献在X射线研究方面 1911年10月30日至11月3日 以学术秘书身份参加首届索尔维国际物理学大会 主题是 辐射理论与量子 M 德布罗意向弟弟详细描述了会议情况和所作的报告 会议内容使L V 德布罗意产生很大震撼 使其 决定尽最大努力研究普朗克10年前引进理论物理的 难以理解的量子的真正本性 9 L V 德布罗意在其哥哥的私人实验室里 通过光电效应等实验 对辐射的量子性质有深刻印象 同时通过X光衍射实验 对辐射的波动性质也了解得非常清楚 1923年期间 经过一段长时间的独自沉思以后 德布罗意发表三篇短文 提出实物粒子具有波粒二象性的假设 10 波和量子 提出 任何动体伴随以波 而且不可能将物体的运动和波的传播分开 光量子 衍射和干涉 提出 一束电子穿过小孔 可能产生衍射现象 这会成为在实验上验证我们想法的方向 量子气体的运动理论和费马原理 从方法论上探讨费马原理与建立波动力学的关系 1924年 L V 德布罗意向巴黎大学提交博士论文 量子理论的研究 11 L V 德布罗意提出 实物粒子也具有波动性 运动的粒子都与一个波相联系 粒子对应的波的频率和波长分别为 12 L V 德布罗意的新思想超越人们的想象力 很难让人理解 德布罗意回忆说 1923年我写了博士论文 需要申请学位 我打印了三份 送了一份给朗之万 让他决定是否可以作为博士论文接受 朗之万也许对我的新思想有点吃惊 拿不定注意 要我再提供一份由他送给爱因斯坦 请爱因斯坦评定 爱因斯坦认为这篇论文很有价值 这促使朗之万决定接受我的论文 13 L V 德布罗意的博士论文得到爱因斯坦的高度评价 赞叹道 厚厚的帷幕的一角被德布罗意揭开了 爱因斯坦在 单原子理想气体的量子理论 写道 一个物质粒子或物质粒子系可以怎样同一个波场相对应 德布罗意先生已在一篇很值得注意的论文中指出了 爱因斯坦的赞誉和推荐 使物质波理论引起物理学界的重视 不少物理学家受到深刻影响 例如薛定谔 ErwinSchr dinger 1887 1991 14 三 物质波的实验验证 物质波假设是否正确 需要依靠实验判决 德布罗意对物质波进行了深入的思索 在实验验证方面设计好了实验方案 在博士论文答辩会上 答辩委员会主席佩兰 J B Perrin 1870 1942 问道 怎样从实验上观察到这个物质波 德布罗意回答说用电子在晶体上做衍射实验 15 波的衍射 16 波在传播过程中遇到有限大障碍物或遇到大障碍物中的空隙时 会绕过障碍物的边缘或空隙的边缘 呈现路径弯曲 在障碍物或空隙边缘的背后展衍 这种现象称为波的衍射 17 发生衍射的条件 障碍物尺寸与波长相当或者比波长小 圆孔衍射 白光单缝衍射 例1计算电子经100V电压加速后的德布罗意波波长 解经100V电压加速后 能量为e 100eVe mev2 p2 2me 18 电子束的德布罗意波波长与与晶体原子间距相近 这就是德布罗意建议用电子在晶体上做衍射实验的原因 1927年 戴维孙 C J Davisson 1881 1958 和G P 汤姆孙 G P Thomson 1892 1975 分别利用晶体做了电子束的衍射 19 实验 得到电子束衍射图像 证明德布罗意的物质波的正确性 电子束衍射图样 后来的很多实验都证实 电子 质子 中子 原子 分子等都具有波动性 L V 德布罗意因研究波动力学和发现电子的波动性获得1929年诺贝尔物理学奖 波动性是物质粒子普遍具有的 物质粒子的波动性在现代科学实验与生产技术中有广泛应用 例如 电子显微镜 慢中子衍射技术 可用来研究晶体结构与生物大分子结构等 20 小结 光的波粒二象性光既不是波 也不是粒子 光就是其自身 用波和粒子的任意一种模型描述光是不全面的 德布罗意波微观粒子具有波和粒子的双重属性 电子衍射实验 21 思考与练习