选修3-5第十七章17.3崭新的一页粒子的波动性

17.3崭新的一页:粒子的波动性德布罗意(deBroglie,1892-1987)•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？光的本性光学发展史1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说光的性质实验事实描述的物理量波动性粒子性波动性粒子性光的干涉光的衍射光电效应康普顿效应ν、λhph密立根光电效应实验光学发展史1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性粒子性1801托马斯·杨双缝干涉实验1814菲涅耳衍射实验赫兹电磁波实验1888赫兹发现光电效应19161922康普顿效应牛顿微粒说占主导地位波动说渐成真理1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性粒子性1909爱因斯坦光的波粒二象性光既具有粒子性，又具有波动性。光学发展史hmc2hmcp粒子性波动性（具有能量）（具有频率）（具有动量）hph架起了粒子性与波动性之间的桥梁一.光的波粒二象性（具有波长）2.一个电子被75V的电压加速后,（电子质量为9.11×10-31kg）a.该电子具有多少能量？具有多大的速度？b.它的动量多大？比较X射线光子和电子的动量大小?从中我们能否用类比思想对电子的属性进行大胆的猜想？1.一束波长为0.2nm的X射线在真空中传播.（光在真空中传播速度c=3.0×108m/s)a.该X射线光子具有多少能量？b.计算这束X射线光子的动量。c.为什么X射线呈现极小的粒子性？例题光微观粒子1672牛顿微粒说T/年惠更斯波动说1690麦克斯韦电磁说18641905爱因斯坦光子说波动性粒子性1909爱因斯坦光的波粒二象性光既具有粒子性，又具有波动性。1924德布罗意粒子的波粒二象性实物粒子既具有粒子性，也具有波动性。二.粒子的波粒二象性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，用类比方法分析问题。1924年，他考虑到普朗克量子爱因斯坦光子理论的成功在博士论文《关于量子理论的研究》中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子，如电子，质子等。于是他提出实物粒子也具有波动性。这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波.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。二.粒子的波粒二象性一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量ε和动量p所描述的粒子性，同时也具有以频率ν和波长λ所描述的波动性。EPh粒子性波动性二者通过h来联系二.粒子的波粒二象性hPhmvh德布罗意波（物质波）的波长在时cvhcm20vmhPh0电子的德布罗意波长注意：对实物粒子，v是指粒子的速度（群速）故不存在v=的关系。加速电势差为U，则0202,21meUveUvm02mEvk二.粒子的波粒二象性UemheUmhvmh122000nmU226.1可获得电子在不同电压下的波长nmVU39.0,10nmVU123.0,100nmVU039.0,1000nmEk226.1kE的单位为eV与x射线的波长相当二.粒子的波粒二象性2.一个电子被75V的电压加速后,（电子质量为9.11×10-31kg）a.该电子具有多少能量？具有多大速度？Ε=75evb.它的动量多大？p=4.6×10-24kg·m/sc.求其具有的德布罗意波长。nmmvh25103.1例题λ=1.4×10-10m=0.14nm3.如速度v=5.0102m/s飞行的子弹，质量为m=10-2kg，对应的德布罗意波长为多少？实在太小！X射线波段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？如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？三.物质波的实验验证0.1nmX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。1927年C.J.戴维森与G.P.革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。1.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。KGBD探测器电子束电子枪U镍单晶三.物质波的实验验证UIa=0.215nmd=0.0908nm电流出现了周期性变化Ni单晶da实验结果：三.物质波的实验验证实验解释：将电子看成波，其波长为德布罗意波长：UUemh23.120既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格公式：kdsin2Uemhkd02sin2.321k即：实验装置：GNi单晶电流计UIBK发射电子阴级加速电极显然将电子看成微粒无法解释。实验表明电流最大值正好满足M三.物质波的实验验证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。CsUKG屏P多晶薄膜高压栅极阴极1.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。电子衍射图样三.物质波的实验验证三.物质波的实验验证三.物质波的实验验证2.电子双缝实验1961年琼森（ClausJönsson）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三.物质波的实验验证•电子显微镜电子显微镜下的灰尘回顾与评价我对光的认识经历了几个过程：波粒二象性对我的思维冲击：德布罗意假说对我的启发：我对科学研究方法的新体会：四.小结