高中物理 43.4 光的波粒二象性 实物粒子的波粒二象性教学课件 教科版选修35.ppt

3光的波粒二象性4实物粒子的波粒二象性 1 了解康普顿效应 2 了解光既具有波动性 又具有粒子性 3 知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性 4 知道德布罗意波的波长和粒子动量关系 一 光的波粒二象性康普顿效应光在介质中与物质微粒相互作用 因而传播发生改变 这种现象叫做光的散射 美国物理学家在研究石墨对x射线的散射时 发现在散射的x射线中 除了与入射波长相同的成分外 还有波长入射波长的成分 这个现象称为康普顿效应 光的本性 光的干涉 衍射 偏振现象表明光具有波动性 光电效应和康普顿效应表明光具有性 即光具有性 方向 大于 粒子 波粒二象 h 粒子 波动 波动 粒子 二 粒子的波动性物质波的分类物理学把物质分为两类 一类是分子 原子 电子 质子及由这些粒子所组成的物体 另一类是场 如电场 磁场等 它们并不是由微观粒子构成的 而是客观存在的一种特殊物质 德布罗意波任何一个的物体都有一种波与它相对应 这种波叫 也称为德布罗意波 运动 物质波 三 物质波的实验验证实验探究思路干涉 衍射是波特有的现象 如果实物粒子具有波动性 则在一定条件下 也应该能发生干涉和衍射现象 实验验证 1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了的实验 得到了电子的 证实了电子的波动性 电子束衍射 衍射图样 四 概率波光波是一种概率波光的波动性不是光子之间相互作用的结果而是光子固有的性质 光子在空间出现的概率可以通过确定 所以 光波是一种概率波 物质波也是概率波对于电子和其他微观粒子 单个粒子的位置是不确定的 但在某点出现的概率的大小可以由的规律确定 而且 对于大量粒子 这种概率分布导致确定的宏观结果 所以物质波也是 波的规律 波动 概率波 一 利用光子说解释康普顿效应假定x射线光子与电子发生弹性碰撞 这种碰撞跟台球比赛中的两球碰撞很相似 按照爱因斯坦的光子说 一个x射线光子不仅具有能量 h 而且还有动量 如图4 3 4 1所示 这个光子与静止的电子发生弹性斜碰 光子把部分能量转移给了电子 能量由h 减小为h 因此频率减小 波长增大 同时 光子还使电子获得一定的动量 这样就圆满地解释了康普顿效应 康普顿效应进一步揭示了光的粒子性 也再次证明了爱因斯坦光子说的正确性 图4 3 4 1 二 人类对光的本性的研究 光本性学说的发展简史 对光的波粒二象性的理解 3 德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广 使之包括了所有的物质粒子 即光子与实物粒子都具有粒子性 又都具有波动性 与光子对应的波是电磁波 与实物粒子对应的波是物质波 特别提醒 一切运动着的物体都具有波动性 看到的宏观物体 其运动时 虽看不出它们的波动性 但也有一个波长与之对应 只是这个波长非常小 难以观测到 典例1 下列有关光的波粒二象性的说法中 正确的是 a 有的光是波 有的光是粒子b 光子与电子是同样的一种粒子c 光的波长越长 其波动性越显著 波长越短 其粒子性越显著d 大量光子的行为往往显示出粒子性 对光的波粒二象性的理解 解析一切光都具有波粒二象性 光的有些行为 如干涉 衍射 表现出波动性 光的有些行为 如光电效应 表现出粒子性 所以 不能说有的光是波 有的光是粒子 虽然光子与电子都是微观粒子 都具有波粒二象性 但电子是实物粒子 有静止质量 光子不是实物粒子 没有静止质量 电子是以实物形式存在的物质 光子是以场形式存在的物质 所以 不能说光子与电子是同样的一种粒子 光的波粒二象性的理论和实验表明 大量光子的行为表现出波动性 个别光子的行为表现出粒子性 光的波长越长 衍射性越好 即波动性越显著 光的波长越短 其光子能量越大 个别或少数光子的作用就足以引起光接收装置的反应 所以其粒子性就很显著 故选项c正确 a b d错误 答案c 变式1 有关光的本性 下列说法正确的是 a 光既具有波动性 又具有粒子性 这是互相矛盾和对立的b 光的波动性类似于机械波 光的粒子性类似于质点c 大量光子才具有波动性 个别光子只具有粒子性d 由于光既具有波动性 又具有粒子性 无法只用其中一种去说明光的一切行为 只能认为光具有波粒二象性 解析19世纪初 人们成功地在实验中观察到了光的干涉 衍射现象 这属于波的特征 微粒说无法解释 但到了19世纪末又发现了光的新现象 光电效应 证实光具有粒子性 这种现象波动说不能解释 因此 光既具有波动性 又具有粒子性 但不同于宏观的机械波和机械粒子 波动性和粒子性是光在不同的情况下的不同表现 是同一物体的两个不同侧面 不同属性 我们无法用其中的一种去说明光的一切行为 只能认为光具有波粒二象性 选d 答案d 对物质波的理解 变式2 在中子衍射技术中 常利用热中子研究晶体的结构 因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近 已知中子质量m 1 67 10 27kg 普朗克常量h 6 63 10 34j s 可以估算出德布罗意波长 1 82 10 10m的热中子的动量的数量级可能是 a 10 17kg m sb 10 18kg m sc 10 20kg m sd 10 24kg m s 显微镜的分辨本领生物实验室里的显微镜是利用可见光工作的 是光学显微镜 最好的光学显微镜能够分辨200nm大小的物体 可以看到最小的细菌 大多数病毒比细菌小得多 光学显微镜就无能为力了 技术在不断发展 人们可以制造更为精良的光学显微镜 那么 它的分辨本领能不能无限提高呢 答案是不能 因为衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领 大家知道 波长越长 衍射现象越明显 噪音的波长在1m左右 所以我们能够听见墙后面人们的谈话声 这是声音的衍射 可见光的波长为400 700nm 日常生活中的物体大小比可见光的波长大得多 光的衍射现象不明显 所以我们才说光沿直线传播 但是 显微镜的精度很高 物镜的直径又不大 所以衍射现象不能忽略 由于衍射 被观察物体上的一个光点经过透镜以后不再会聚成一个光点 而形成一个光斑 这样物体的像就模糊了 影响了显微镜的分辨本领 电子束也是一种波 如果把电子加速 使它的动量很大 它的德布罗意波长会很短 衍射现象的影响就小多了 这样就有可能大大提高分辨能力 这种使用电子束工作的显微镜叫做电子显微镜 肉眼不能看见电子束 可以让电子束打在荧光板上来观察显微图象 不过通常的做法是用感光胶片或光电转换器件代替荧光板 得到微小物体的显微照片 现代电子显微镜的分辨本领可以达到0 2nm 能够看到蛋白质分子和金属的晶体结构 电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜 但电子显微镜因需要在真空条件下工作 所以很难观察到活的生物 而且电子束的照射也会使生物样品受到辐射损伤 典例3 显微