1、物理选修3-5 第十七章 波粒二象性,第3节 粒子的波动性,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？,阅读课本P37“光的波粒二象性”部分,知道光既具有波动性又具有粒子性。 应当如何理解光的波粒二象性?,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,粒子性,波动性,（具有能量）,（具有频率）,（具有动量）,h-架起了粒
2、子性与波动性之间的桥梁,一、光的波粒二象性,（具有波长）,1、光既具有波动性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。 2、光子的能量=h,光子的动量 。两式左侧的物理量和p描述光的粒子性,右侧的物理量和描述光的波动性,普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。,一、光的波粒二象性,3、现象与本质：光的干涉和衍射现象表明光是一种_，光电效应和康普顿效应表明光同时也是一种_光的波动性与粒子性是统一的只有承认光的_性，才是对光的本性最全面的认识,波,粒子,波粒二象,阅读课本P37-38“粒子的波动性”部分,知道实物粒子具有波动性。 什么是物质波?如何表达?,实物粒子有无波动性呢？,德布罗意原来学习历史，
3、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。他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学上,与波动方面的研究相比，忽视了粒子方面的研究;而在实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子方面的图象想得太多，而忽略了波的现象”他提出假设:实物粒子也具有波动性,德布罗意法国物理学家，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.粒子的波动性,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
4、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,二.粒子的波动性,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 。,二.粒子的波动性,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 50 kg ，百米跑时的速度约为 7 m/s ，由光子的动量表达式有：,由计算结果看出，宏观物
5、体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。,想一想,子弹:质量为m=10-2Kg,速度v=3.0102m/s，对应的德布罗意波长为：,电子:质量为m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s, 对应的德布罗意波长为：,宏观物体波动性不明显,微观粒子波动性明显,1、每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波,也叫作物质波。 2、物质波的波长、频率关系式:,二.粒子的波动性,一切实物粒子都有波动性,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
6、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？,阅读课本P38“物质波的实验验证”部分，知道物质波的实验验证,宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10-10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事,三.物质波的实验验证,实验验证的思路：光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。,在伦琴射线的研究中找到突破 ，证实伦琴射线是电磁波，考虑到电子的德布罗意波长
7、与伦琴射线的波长具有相近的数量级，1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体进行了电子束衍射实验，从而证实了电子的波动性说明电子具有波粒二象性他们为此获 1937 年诺贝尔物理学奖。,电子束穿过铝箔后的衍射图像,除了电子以外，后来还陆续证实了质子，中子以及原子、分子的波动性。,德布罗意公式成为揭示微观粒子波粒二象性的统一性的基本公式，1929年，De Broglie因此获Nobel 物理学奖，成为以学位论文获此殊荣的人。,三、物质波的实验验证 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。 电子衍射实验1 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
8、波动性。 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。,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。 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。,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,电子双缝实验 1961年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速到50Kev，让其通过一缝宽为a=0.510-6m，间隔为d=2.010-6m的双缝,当电
9、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,1、1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,证实了电子的波动性。,2、除了电子以外，后来还陆续证实了质子，中子以及原子、分子的波动性。德布罗意给出的 和 关系同样正确。,三、物质波的实验验证,物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2 m，最大放大倍数也只有1000倍左右自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜,物质波的应用,电子显微镜,电子显微镜下的灰尘,电子显微镜下的薰衣草叶子,23,电子显微镜下的纳米纤维,24,电子显微镜下的红细胞,25,小结：,二、粒子的波动性,三、德布罗意波的实验验证,3.量子围栏(Quantum Corral)中的驻波,1. 电子衍射实验1,2. 电子衍射实验2,戴维逊革末实验,G.P.汤姆逊（电子衍射实验。,四、物质波的应用,电子显微镜,一、光的波粒二象性,