3　粒子的波动性 (5).ppt

第十七章波粒二象性 第三节粒子的波动性 光的本性 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 如果你是布拉格教授 将如何机智地回答 那么光的本性到底是什么 光学发展史 T 年 波动性 粒子性 光学发展史 T 年 波动性 粒子性 赫兹电磁波实验 赫兹发现光电效应 密立根光电效应实验 康普顿效应 牛顿微粒说占主导地位 波动说渐成真理 光学发展史 T 年 波动性 粒子性 光既具有粒子性 又具有波动性 光的干涉 光的衍射 光电效应 康普顿效应 v 光子的能量 光子的动量 p与 是描述粒子性的 v是描述波动性的 h则是连接粒子性和波动性的桥梁 一 光的波粒二象性 他认为 整个世纪以来 指19世纪 在光学中比起波动的研究方法来 如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话 那么在实物的理论中 是否发生了相反的错误呢 是不是我们把粒子的图象想得太多 而过分忽略了波的图象呢 1 德布罗意的物质波 德布罗 De Broglie 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 1923年发表了题为 波和粒子 的论文 提出了物质波的概念 二 粒子的波动性 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 具有波长 能量为 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 mc2 hv 一个质量为m的实物粒子以速率 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v和波长l所描述的波动性 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 并都满足德布罗意关系 一切实物粒子都具有波动性 德布罗意关系 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 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相对应 该波的波长 试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波长 解 一个中学生的质量大约为m 50kg 百米跑时的速度约为 7m s 由光子的动量表达式有 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 1 电子动能 k 100eV 子弹动量p 6 63 106kg m s 1 求它们的德布罗意波长 解 因电子动能较小 速度较小 可用经典物理学求解 由于德布罗意博士论文独创性 得到了答辩委员会的高度评价 但是人们总觉得他的想法过于玄妙 无法接受 于是 有人质问 有什么可以验证这一新的观念 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 如果你是德布罗意 将如何验证自己的观点 1927年C J 戴维森与G P 革末做电子衍射实验 验证电子具有波动性 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 2 物质波的实验验证 实验现象 实验装置 显然将电子看成微粒无法解释 M 电流出现了周期性变化 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 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 电子衍射图样 电子衍射实验 电子双缝实验 1961年琼森 ClausJ nsson 将一束电子加速到50kev 让其通过一缝宽为a 0 5 10 6m 间隔为d 2 0 10 6m的双缝 当电子撞击荧光屏时 发现了类似于双缝衍射实验结果 大量电子一次性的行为 电子显微镜 电子显微镜下的灰尘 1 德布罗意的物质波 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 2 物质波的实验验证 电子衍射实验1 电子衍射实验2