1、第十七章 波粒二象性 第3节 粒子的波动性人教版选修人教版选修3-5 有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格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？教授：光是波还是粒子？ 布拉格幽默地回答道：布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。学家休息。” 如果你是布拉格教授，将如何机智地回答？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？那么光的本性到底是什么？一、光的本性一、光的本性1672牛顿牛顿微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯波动说波
2、动说1690麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光的性质光的性质实验事实实验事实描述的物理量描述的物理量波动性波动性粒子性粒子性波动性波动性粒子性粒子性光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应、hph光学发展史光学发展史密立根密立根光电效应实验光电效应实验1672牛顿牛顿微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说波动性波动性粒子性粒子性1801托马斯托马斯杨杨双缝干涉双缝干涉实验实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验18
3、88赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应19161922康普顿效应康普顿效应牛顿微粒说牛顿微粒说占主导地位占主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理1672牛顿牛顿微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说波动性波动性粒子性粒子性1909爱因斯坦爱因斯坦光的波粒光的波粒二象性二象性光既具有粒子性，又具有波动性。光既具有粒子性，又具有波动性。hmc 2hmcp粒子性粒子性波动性波动性（具有能量）（具有能量）（具有频率）（具有频率）（具有动量）（具有动量）hph架起了粒子性与波动性之间的桥梁架起了粒子性与波动性之间的桥梁（具
4、有波长）（具有波长）二、光的波粒二象性二、光的波粒二象性1672牛顿牛顿微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说波动性波动性粒子性粒子性1909爱因斯坦爱因斯坦光的波粒光的波粒二象性二象性光既具有光既具有粒子性粒子性，又具有，又具有波动性波动性。1924德布罗意德布罗意粒子的波粒子的波粒二象性粒二象性实物粒子既具有实物粒子既具有粒子性粒子性，也具有波动性。也具有波动性。三、粒子的波粒二象性三、粒子的波粒二象性 德布罗意原来学习历史，后来德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的改学理论物理学。他善
5、于用历史的观点，用类比方法分析问题。观点，用类比方法分析问题。 1924年，他考虑到普朗克量子年，他考虑到普朗克量子爱因斯坦光子理论的成功在博士论爱因斯坦光子理论的成功在博士论文文关于量子理论的研究关于量子理论的研究中大胆中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子，地把光的波粒二象性推广实物粒子，如电子，质子等。于是他提出如电子，质子等。于是他提出实物实物粒子也具有波动性粒子也具有波动性。这种与实物粒。这种与实物粒子相联系的波称为子相联系的波称为德布罗意波德布罗意波. 爱因斯坦觉察到德布罗意物质爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为波思想的重大意义，誉之为“揭开揭开一幅大幕的一角一幅大幕
6、的一角”。法国物理学家，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创得者，波动力学的创始人，量子力学的奠始人，量子力学的奠基人之一。基人之一。 一个质量为一个质量为m的实物粒子以速率的实物粒子以速率v 运动时，即具运动时，即具有以能量有以能量和动量和动量p所描述的粒子性，同时也具有以所描述的粒子性，同时也具有以频率频率和波长和波长所描述的波动性。所描述的波动性。EPh粒子性粒子性波动性波动性二者通过二者通过h h来联系来联系hPhmvh德布罗意德布罗意波（物质波（物质波）的波）的波波长长在在 时时cv hcm20vmhPh0电子的德布罗意波长电子的德布罗意波长
7、注意：注意：对实物粒子，对实物粒子，v是指粒子的速度（群速）是指粒子的速度（群速）故不存在故不存在v=的关系。的关系。加速电势差为加速电势差为 U，则，则0202,21meUveUvm02mEvkUemheUmhvmh122000nmU226. 1可获得电子在不同电压下的波长可获得电子在不同电压下的波长nmVU39. 0,10nmVU123. 0,100nmVU039. 0,1000nmEk226. 1kE的单位为的单位为eV与与x x射线的波长相当射线的波长相当 由于由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委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员会的
8、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：有什么可以验证妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？这一新的观念？ 如果你是如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？德布罗意，将如何验证自己的观点？0.1nm四、物质波的实验验证四、物质波的实验验证 X 射线照在晶体上可以产射线照在晶体上可以产生衍射，电子打在晶体上也能生衍射，电子打在晶体上也能观察电子衍射。观察电子衍射。 1927年年 C. .J. .戴维森与戴维森与 G. .P. .革末作电子衍射实验，验革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。证电子具有波动性。1 1、电子衍射实验、电子衍射实验1 1
9、戴维逊和革末的实验是戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。而验证了物质波的存在。KGBD探测器探测器电子束电子束电子枪电子枪UUIa=0.215nm d=0.0908nm电流出现了周期性变化电流出现了周期性变化Ni单晶单晶da实验结果：实验结果：实验解释：实验解释：将电子看成波，其波长为德布罗意波长：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既然是波，电流出现
10、最大值时正好满足布喇格公式：公式：kdsin2Uemhkd02sin2. 321k即：即：实验装置：实验装置：GNi单单晶晶电电流流计计UIBK发射电发射电子阴级子阴级加加速速电电极极显然将电子显然将电子看成微粒无看成微粒无法解释。法解释。实验表实验表明电流明电流最大值最大值正好满正好满足足M 1927年年 G. .P. .汤姆逊汤姆逊（J. .J. .汤姆逊之子）汤姆逊之子） 也独立也独立完成了电子衍射实验。与完成了电子衍射实验。与 C. .J. .戴维森共获戴维森共获 1937 年诺年诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。CsUKG多晶多晶薄膜薄膜高压高压栅极栅极阴极阴极1 1、电子衍射实验、电子
11、衍射实验2 2电子束在穿过细晶体粉末电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象或薄金属片后，也象X X射线射线一样产生衍射现象。一样产生衍射现象。此后，人们相继证实了此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都原子、分子、中子等都具有波动性。具有波动性。电子衍射图样电子衍射图样2、电子双缝实验、电子双缝实验 1961年琼森（年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速到）将一束电子加速到50Kev，让其通过一缝宽为，让其通过一缝宽为a=0.5 10-6m，间隔为，间隔为d=2.0 10-6m的双缝的双缝,当电子撞击荧光屏时当电子撞击荧光屏时,发现了类似于发现了类似于双缝衍射实验结果双缝衍射实验结
12、果.大量电子一次性的行为大量电子一次性的行为电电子子显显微微镜镜电子显微镜下的灰尘电子显微镜下的灰尘回顾与评价回顾与评价我对光的认识经历我对光的认识经历了几个过程：了几个过程：波粒二象性对我的波粒二象性对我的思维冲击：思维冲击：德布罗意假说对我德布罗意假说对我的启发：的启发：我对科学研究方法我对科学研究方法的新体会：的新体会：五、小结五、小结例例1、试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。的波长。mmph3634109 . 17501063. 6解：解：估计一个中学生的质量估计一个中学生的质量m50kg ，百米跑时，百米跑时速度速度v7m/s ，则，
13、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。表现出其波动性。例例2、(1)电电子动能子动能Ek=100 eV；(2)子弹动量子弹动量p=6.63106 kg.m.s-1, 求德布罗意波长。求德布罗意波长。解：解： (1)因因电电子动能较小，速度较小，可用非相对论公子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。式求解。221,22kpEmm2425.4 10kpmmE65.93 10hhmp=1.23(2)子弹子弹:hph= 6.6310-34= 1.010-40m 可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子粒子(如子弹如子弹)的波动性根本测不出来。的波动性根本测不出来。
