3　粒子的波动性

科学的转折光的粒子性,1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。,1.光的散射光在介质中与物质微粒相互作用，因而传播方向发生改变，这种现象叫做光的散射。,2.康普顿效应1923年康普顿在做X射线通过物质散射的实验时，发现散射线中除有与入射线波长相同的射线外，还有比入射线波长更长的射线，其波长的改变量与散射角有关，而与入射线波长和散射物质都无关。,二、康普顿散射的实验装置与规律,康普顿正在测晶体对X射线的散射。,按经典电磁理论：如果入射X光是某种波长的电磁波，散射光的波长是不会改变的！,散射中出现0的现象，称为康普顿散射。,康普顿散射曲线的特点：1.除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长。2.新波长随散射角的增大而增大。波长的偏移为:,经典电磁理论在解释康普顿效应时遇到的困难:,1.根据经典电磁波理论，当电磁波通过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，其频率等于入射光频率，所以它所发射的散射光频率应等于入射光频率。2.无法解释波长改变和散射角的关系。,光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：,光子理论对康普顿效应的解释,康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：,1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子，散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长。2.若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。,三、康普顿散射实验的意义,1.有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；2.首次在实验上证实“光子具有动量”的假设；3.证实了在微观世界的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的。康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。,康普顿效应,康普顿，1927年获诺贝尔物理学奖（1892-1962）美国物理学家,四、吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年，参加了发现康普顿效应的研究工作。19251926年，吴有训用银的X射线（0=5.62nm）。为入射线,以15种轻重不同的元素为散射物质，在同一散射角（=120）测量各种波长的散射光强度，作了大量X射线散射实验。对证实康普顿效应作出了重要贡献。,光子的能量和动量：,动量能量是描述粒子的，频率和波长则是用来描述波的。,波长的偏移只与散射角有关，而与散射物质种类及入射的X射线的波长0无关，,c=0.0241=2.4110-3nm（实验值）,称为电子的Compton波长,只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。,崭新的一页粒子的波动性,德布罗意波波粒二象性,1.德布罗意波（物质波）De.Broglie1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。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，那末在实物的理论中，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”,一、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。,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：,E=mc2=hv,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：,E=mc2=hv,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：,E=mc2=hv,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。,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，并都满足德布罗意关系。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。,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。,【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。,【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m50kg，百米跑时速度v7m/s，则:,【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m50kg，百米跑时速度v7m/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。,【例2】(1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63106kg.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。,h=6.6310-34,【例2】(1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63106kg.m.s-1，求德布罗意波长。,(2)子弹:,解：(1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。,h=6.6310-34,【例2】(1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63106kg.m.s-1，求德布罗意波长。,(2)子弹:,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。,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,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,如速度v=5.0102m/s飞行的子弹，质量为m=10-2kg，对应的德布罗意波长为：,太小测不到！,如电子m=9.110-31kg，速度v=5.0107m/s,对应的德布罗意波长为：,X射线波段,2.戴维逊革末实验,2.戴维逊革末实验,1927年，Davisson和Germer进行了电子衍射实验。（该实验荣获1937年Nobel物理学奖）,2.戴维逊革末实验,1927年，Davisson和Germer进行了电子衍射实验。（该实验荣获1937年Nobel物理学奖）,2.戴维逊革末实验,1927年，Davisson和Germer进行了电子衍射实验。（该实验荣获1937年Nobel物理学奖）,电子束垂直入射到镍单晶的水平面上，在=50散射方向上探测到一个强度极大。（可用晶体对X射线的衍射方法来分析）,1929诺贝尔物理学奖,L.V.德布罗意电子波动性的理论研究,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,X射