1、 第第1717章章 波粒二象波粒二象性性 第三节第三节 粒子的波动性粒子的波动性 光是一种物质，它既具有粒子性，又具有波动性。在不同条件下表现出不同特性。本节将针对光的这两个特性进一步的展开分析。密立根密立根光电效应实验光电效应实验光学发展史光学发展史1672T/年年1690186419051801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1888赫兹赫兹发现光电效发现光电效应应19161922康普顿效应康普顿效应牛顿微粒牛顿微粒说占主导说占主导地位地位波动说波动说渐成真理渐成真理一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性电磁波电磁波光光
2、 子子光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性 波长波长频率频率波速波速 动质量动质量能量能量动量动量 光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。hmc 2hP 普朗克常量普朗克常量h是联系是联系描述粒子的物理量描述粒子的物理量和描述波动的物理和描述波动的物理量的桥梁。量的桥梁。一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性 我们无法只用其中一种观点说明光的一切行为，因而我们无法只用其中一种观点说明光的一切行为，因而认为认为光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。大量光子产生的效果显示波动性；个别光子产大量光子产生的效果显示波动性
3、；个别光子产 生的效果显示粒子性。生的效果显示粒子性。波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。光在空间传播时显示波动性；与物质微粒作用时显光在空间传播时显示波动性；与物质微粒作用时显 示粒子性。示粒子性。光是一种电磁波，也具有粒子性，那实物粒子是否具光是一种电磁波，也具有粒子性，那实物粒子是否具有波动性呢？有波动性呢？【思考讨论思考讨论】二、粒子的波粒二象性二、粒子的波粒二象性 他认为，他认为，“整个世纪以来（指整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方
4、法的话，那视了粒子的研究方法的话，那么在实物的理论中，是否发生么在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢分忽略了波的图象呢”。德布罗意，波动力学创始人，量子力学奠基人之一。三、粒子的波动性三、粒子的波动性 德布罗意原来学习历史，后改德布罗意原来学习历史，后改学理论物理。善于用历史的观学理论物理。善于用历史的观点，用类比方法分析问题。点，用类比方法分析问题。19241924年，他在博士论文年，他在博士论文关于关于量子理论的研究量子理论的研究中大胆地把中大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒光的波
5、粒二象性推广到实物粒子，如电子，质子等。于是他子，如电子，质子等。于是他提出提出实物粒子也具有波动性实物粒子也具有波动性。德布罗意，波动力学创始人，量子力学奠基人之一。物理学家德布罗意指出实物粒子也具有波动性。物理学家德布罗意指出实物粒子也具有波动性。每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。phh与与实物粒子实物粒子相联系的波称为相联系的波称为德布罗意波德布罗意波，也称为，也称为物质波。物质波。hp物体的动量普朗克常量德布罗意波波长任何一个物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应。物质波（德布罗意波）三、物质波的实验验证三、物质波的实验验
6、证 由于由于德布罗意博士论文独创性，得到了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。得他的想法过于玄妙，无法接受。爱因斯坦却说：爱因斯坦却说：“瞧瞧吧，看似疯狂，瞧瞧吧，看似疯狂，不过的确站得住脚不过的确站得住脚”。于是，有人质问：有什么可以验证这一于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？新的观念？我们还知道，光虽然具有波动性，但并不是任何情况下都能发生明显的干涉和行射。用来显示波动性的狭缝或障碍物的线度要足够小才行。于是，一个关系到物质世界真实图景的理论间题、就与一个实践上的技术问题联系起来了。人们能够
7、制作或找到这样的装置吗?在20世纪20年代，那些关心物质波实验验证的物理学家们，说起来实在太幸运了。因为他们在技术上的这一难题已经解说决，那是在对伦琴射线的研究中解决的。没有实验装置没有实验装置三、物质波的实验验证三、物质波的实验验证1、伦琴射线衍射实验 在伦号射线发现后的十多年间，这种射线到底是不是波长很的电磁波，尚无定论。1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。射线三、物质波的实验验证三、物质波的实验验证2、电子衍射实验CsUKG 考虑到电了的德布罗意波长与伦琴射线的波长
8、具有相近的数量级，1927年載维孙、汤姆孙分別利用晶体做了电子束行射的实验，得到了类似图衍射图样，从而证实了电子的波动性。一切实物粒子都有波动性一切实物粒子都有波动性 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。对于这些粒子，德布罗意给出的vE/h和入=h/p关系同样正确。1929年，德布罗意获得了诺贝尔物理学奖，成为以学位论文获此殊荣的人。既然一切运动的物体都具有波动性，那既然一切运动的物体都具有波动性，那么宏观物体为什么仅表现出粒子性，而没有么宏观物体为什么仅表现出粒子性，而没有表现出波动性呢？表现出波动性呢？为什么生活中的宏观物体没有显示波为什么生活中的宏观物体没有显
9、示波动性呢？动性呢？例例1：质量质量 m=0.01kg，速度，速度 v=300m/s 的的子弹的德布洛意波长为多少子弹的德布洛意波长为多少？结果表明，宏观物体结果表明，宏观物体(如子弹如子弹)的波动性的波动性根本测不出来。根本测不出来。所以，宏观物体表现为所以，宏观物体表现为粒子性。粒子性。例例2：电子动能电子动能Ek=100eV，质量质量m=9.1 10-31Kg，求德布求德布罗意波长。罗意波长。解：电子动能较小，速度较小，用公式求解：解：电子动能较小，速度较小，用公式求解：可见，可见，微观粒子的波动性较显著，微观粒子的波动性较显著，如电子运动时，如电子运动时，相当于相当于X射线波段。射线波
10、段。,22122mpmEk kp=m=2mEphmh 一些粒子的物质波波长子弹342.21 10m10.01300.mkgvms电子kE=100ev101.23 10m中子kE=1ev100.29 10m地球633.72 10m2415.981029.8.mkgvkm s公转粒 子已 知 条 件物 质 波 波 长显微镜的分辨本领显微镜的分辨本领科学漫步科学漫步 生物实验室里的显微镜利用可见光工作，是光学显微镜。最好的光学显微镜能够分辨200mm大小的物体，可以看到最小的细菌。大多数病毒比细菌小得多、光学显微镜就无能为力了。技术在不断发展，人们可以制造更为精良的光学显微镜。那么，它的分辮本领能不
11、能无限提高呢?不能。衍射现象限制了光学显微镜的分辨本领。大家知道，波长越长，衍射现象越明显。音的波长在1m左右，所以我们能够听兒墙后面入们的谈话声，这是声音的衍射。可见光的波长为400700nm，日常生活中的物体大小比可见光的波长大得多，光的衍射现象不明显，所以我们才说光沿直线传播。但是，显微镜的精度报高，物镜的直径又不大，所以衍射现象不能忽略。由于衍射，被观察物体上的一个光点经过透镜以后不再会聚成一个光点，而形成一个光境，这样物体的像就模糊了，影响了显微镜的分辨本领。由于电压越高电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨本领也就越强，所以电子显微镜分辨本领的大小常用它的加速电压来表示。电子東
12、也是一种波。如果把电子加速，使它的动量很大，它的德布罗意波长会比可见光的波长短得多，衍射现象的影响就小多了。这样就有可能大大提高分辨能力。这种使用电子東工作的显微镜叫做电子显镜。肉眼不能看见电子求，可以让电子東打在荧光板上来观察显微图像不过通常的傲法是用感光胶片或光电转换件代替荧光板得到微小物体的显微照片。现代电子显微镜的分本领可以达到0.2nm，能够看到蛋白质分子和金属的晶体结构。问题:从减轻衍射影这方面提高显微镜的分辨本领有哪两个途径?电子显薇镜采用了哪个途径?如果果显微镜用质子流而不是电子流工作，它们加速后的度相同、哪种呈镜的分本领有可能更高？科学漫步科学漫步解析解析:波长越长，衍射现象
13、越明显，要提高显微镜的分辨能力，可采用波长较短的光或使粒子动量很大，由入h/p得它的德布罗意波长会很短，衍射现象的影响就小多了，这样就可大大提高分辨能力。电子显微镜是采用把电子加速，使它动量很大，由入h/p知，它的德布罗意波长会很短，从而提高分辨能力。如果显微镜用质子流而不是电子流，它们加速后的速度相同，因质子质量大于电子质量，所以质子动量大于电子的动量，由入h/p知，质子的德布罗意波长比电子的德布罗意波长更短，分能力更强，因此用质子流显徽镜的分本领更高。【例题1】有关光的本性，下列说法正确的是A光既具有波动性，又具有粒子性，两种性质是不相容的B光的波动性类似于机械波，光的粒子性类似于质点C大
14、量光子才具有波动性，个别光子只具有粒子性D由于光既具有波动性，又具有粒子性，无法只用其中一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性答案：D解析：光既具有波动性，又具有粒子性，但它又不同于宏观观念中的机械波和粒子。波动性和粒子性是光在不同情况下的不同表现，是同一客体的两个不同侧面、不同属性，我们无法用其中的一种去说明光的一切行为，只能认为光具有波粒二象性。只有选项D正确。【典例【典例2】.下列说法中正确的是下列说法中正确的是()A.质量大的物体质量大的物体,其德布罗意波长小其德布罗意波长小B.质量小的物体质量小的物体,其德布罗意波长小其德布罗意波长小C.动量大的物体动量大的物体,其德布罗意
15、波长小其德布罗意波长小D.速度大的物体速度大的物体,其德布罗意波长小其德布罗意波长小C【典例【典例3】下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是】下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是()A任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波BX光的衍射证实了物质波的假设是正确的光的衍射证实了物质波的假设是正确的C电子的衍射证实了物质波的假设是正确的电子的衍射证实了物质波的假设是正确的D宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体不具有波动性以宏观物体不具有波动性C课堂小结一、光的波粒二象性大量事实说明：光是
16、一种波，同时也是一种粒子，光具有波粒二象性。hhph架起了粒子性与波动性之间的桥梁二、粒子的波动性：一切实物粒子也具有波动性。即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系,如一个质量为 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 v 和波长所描述的波动性。hEv ph与实物粒子相联系的波称为物质波。三、物质波的实验验证 利用波的衍射和干涉进行验证，通过晶体规则排列的物质微粒。1、伦琴射线衍射实验2、电子衍射实验3、电子双缝实验 宏观物体的波长太短,到现在为止，我们无法观察到宏观物体的波动性。宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。作业布置：课本“问
17、题与练习第1、2、3题问题与练习解答：问题与练习解答：1、我们根据什么说光具有波粒二象性?解：解：个别光子的作用效果往往表现为粒子性，大量的光子时表现为波动性。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。波粒二象性：粒子是指其不连续是一份能量。光的的波长越长其波动性越显著，波长越短其粒子性越显著。2、一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们的德布罗意波长哪个大?解：解：由已知可得电子的质量比质子的小可得电子的动量大由m2PE2k可得电子的波长较短又ph3、射击运动射击时会因为子弹的波动性而“失准”吗?为什么?根据現实情况下子弹质量，速度大小所对应的德布罗意波长来做定性说明。因为宏观的子弹质量较大，速度也很大很小。可得和由PhmvP解：解：
