3　粒子的波动性.ppt

1、,第 3 节：粒子的波动性,第十七章：波粒二象性,1. 知道实物粒子和光子一样都具有波粒二象性。 2. 会从能量、动量、波长、频率的角度分析波和粒子之间 的联系。 3. 知道德布罗意波，会计算德布罗意波的波长。,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。” 那么光的本性到底是什么？,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,光既具有粒子性，又具有波动性！,光的干涉

2、,光的衍射,光电效应,康普顿效应,、,光子的能量,光子的动量,p 与 是描述粒子性的，、 是描述波动性的，h 则是连接粒子和波动的桥梁。,1、个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性; 2、光与物质相互作用,表现为粒子性,光的传播表现为波动性; 3、光的波动性与粒子性都是光的本质属性。 因为波动性表现为粒子分布概率,光的粒子性表现明显时仍具有波动性,因为大量粒子的个别行为呈现出波动规律。,光既具有粒子性，又具有波动性的理解：,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

3、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(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。,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 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n 和波长 l 所描述的波

4、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，并都满足德布洛意关系。,一切实物粒子都有波动性,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对应，该波的波长 = h/p。,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 m 50 kg ，百米跑时速度 v 7 m/s

5、，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。,1. 电子动能 k = 100 eV；子弹动量 p = 6.63106 kgms-1, 求德布罗意波长。,解：因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。,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？,一、光的衍射,1、定义：光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫

6、光的衍射。（波在传播过程中遇到障碍物，波会绕过障碍物继续传播） 光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。 2、生活中的衍射现象： 当用一束强光照明小孔、圆屏、狭缝、细丝、刀口、直边等障碍物时，在足够远的屏幕上会出现一幅幅不同的衍射图样。,水波的单缝衍射,菲涅耳：光的单缝衍射,衍射条纹间距不等且亮度由中间到两边变暗、中央条纹明显比其他条纹要宽，亮度要大、暗条纹和亮条纹边界不清楚。（单一波发生）,两列水波的干涉,托马斯杨：光的双缝干涉,干涉条纹相对来讲条纹宽度均匀、亮条纹的亮度比较接近、暗条纹和亮条纹的边界比较清晰。（两种或两种以上的等频率波发生）,1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末做电

7、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。,二、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。,电子双缝实验,1961年琼森（Claus Jnsso

8、n）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 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、解：光的衍射和折射说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性，因此，光具有波粒二象性。 2、电子的徳布罗意波长大动能相同时电子质量小启动能就小，动量小，徳布罗意波长大。因此，当具有同样的动能时电子比质子的徳布罗意波长大。 3、答：不会，因为宏观的子弹质量速度大，动量大，徳布罗意波长小。,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