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1、课程主讲人：物理学第七版15-6 德布罗意波 实物粒子的二象性第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版2 一一 德布罗意假设德布罗意假设 ( (1924 年年) ) 光学理论发展历史表明，曾有很长一光学理论发展历史表明，曾有很长一段时间，人们徘徊于光的粒子性和波动性段时间，人们徘徊于光的粒子性和波动性之间，实际上这两种解释并不是对立的，之间，实际上这两种解释并不是对立的，量子理论的发展证明了这一点量子理论的发展证明了这一点. 20世纪初世纪初发展起来的光量子理论，似过于强调粒子发展起来的光量子理论，似过于强调粒子性
2、，德布罗意企盼把粒子观点和波动观点性，德布罗意企盼把粒子观点和波动观点统一起来，给予统一起来，给予“量子量子”以真正的含义以真正的含义.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版3 法国物理学家法国物理学家 1924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提出把中提出把粒子粒子性和波动性性和波动性统一起来统一起来. 5年后他为年后他为此获得诺贝尔物理学奖此获得诺贝尔物理学奖.爱因斯坦爱因斯坦誉之为誉之为“揭开一幅大幕的揭开一幅大幕的一角一角”.它为量子力学的建它为量子力学的建立提供了物理基础
3、立提供了物理基础.德布罗意（德布罗意（ Broglie 18921987）第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版4 思想方法：思想方法：德布罗意始终对德布罗意始终对近近代物理代物理学的哲学问题感兴趣，喜欢将理论物理学、学的哲学问题感兴趣，喜欢将理论物理学、科学史和自然哲学结合起来考虑，科学史和自然哲学结合起来考虑，其历史其历史学背景帮助他认识到自然界在许多方面都学背景帮助他认识到自然界在许多方面都是明显地对称的，可以采用类比的方法提是明显地对称的，可以采用类比的方法提出物质波的假设出物质波的假设 . 他将爱因斯坦
4、创立的有关光的波粒他将爱因斯坦创立的有关光的波粒二象性观念，扩展到了实物粒子领域内。二象性观念，扩展到了实物粒子领域内。第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版5vmhph 德布罗意公式德布罗意公式这种波称为德布罗意波或物质波这种波称为德布罗意波或物质波hmchE2德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性粒子性粒子性波动性波动性2/Emchpmhv第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版6 ( (2) )
5、宏观物体的德布罗意波长小到实验宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性粒子性.注注 意意0mmcv若若 则则( (1) )若若 则则cv0mm 第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版71 -613119sm 104 . 8sm101 . 9106 . 12002v208.67 10 nmhmvcv此波长的数量级与此波长的数量级与 X 射线波长的数量级相当射线波长的数量级相当. 例例1 一束电子中，电子的动能一束电子中，电子的动能 ，求此电子的德布
6、罗意波长求此电子的德布罗意波长 .eV20020k21vvmEc ,0k2mEv解解第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版8 例例2 从从德布罗意波导出氢原子玻尔理德布罗意波导出氢原子玻尔理论中角动量量子化条件论中角动量量子化条件.nr 2,4321n 解解 两端固定的两端固定的弦，若其长度等于波弦，若其长度等于波长，则可形成稳定的长，则可形成稳定的驻波驻波.r2将弦弯曲成圆时将弦弯曲成圆时第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版92
7、rmnhvvmh电子绕核运动其德布罗意波长为电子绕核运动其德布罗意波长为2hnrmLv角动量量子化条件角动量量子化条件第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版10二德布罗意波的实验证明二德布罗意波的实验证明1 戴维孙戴维孙-革末电子衍射实验（革末电子衍射实验（1927年）年）I35 54 75V/U50 当散射角当散射角 时时 电流与加速电压曲线电流与加速电压曲线50检测器检测器电子束电子束散散射射线线电子被镍晶体衍射实验电子被镍晶体衍射实验MUKG电子枪电子枪第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6
8、德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版11 电子束在单晶晶体上反射的实验结果符电子束在单晶晶体上反射的实验结果符合合X射线衍射中的布拉格公式射线衍射中的布拉格公式.相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件: kd2cos2sin2kdsin501,k. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .d2222sind第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版12m1015. 210d镍晶体镍晶体m1065. 1sin10dm1
9、067. 1210keeEmhmhv电子波的波长电子波的波长 emUkhd21sin第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版13当当 时，时， 与实与实验结果相近验结果相近.51777. 0arcsin1k镍板上有衍射图样。分析表明，这是电子流产生的衍射图像，从而表明了电子具有波动性；在这以前人们一般都认为电子是一种粒子。 镍板上有衍射图样。分析表明，这是电子流产生的衍射图像，从而表明了电子具有波动性；在这以前人们一般都认为电子是一种粒子。 对镍板上的衍射图样的分析表明，这对镍板上的衍射图样的分析表明，这是电子流产
10、生的衍射图像，从而表明了电是电子流产生的衍射图像，从而表明了电子具有波动性，这证明了电子既是一种粒子具有波动性，这证明了电子既是一种粒子又是一种波。子又是一种波。kemUdkh777. 021sin第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版14UMDP电子束透过多晶铝箔的衍射电子束透过多晶铝箔的衍射K2 G. P. 汤姆孙电子衍射实验汤姆孙电子衍射实验 ( 1927年年 ) 电子束穿越多晶薄片时出现类似电子束穿越多晶薄片时出现类似X射线射线在多晶上衍射的图样在多晶上衍射的图样.第十五章第十五章 量子物理量子物理15-
11、6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版15三三 应用举例应用举例 1932年鲁斯卡成功研制了电子显微镜年鲁斯卡成功研制了电子显微镜,突破普通光学显微镜受可见光波长的限制，突破普通光学显微镜受可见光波长的限制，目前分辨率已达目前分辨率已达0.2nm. 电子显微镜有透射电子显微镜（电子显微镜有透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（和扫描电子显微镜（SEM）两类，在研究物）两类，在研究物质结构、观察微小物体方面具有显著的功能，质结构、观察微小物体方面具有显著的功能，是当代科学研究的重要工具之一是当代科学研究的重要工具之一.第十五章第十五章 量子物理量子物
12、理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版16透射电镜透射电镜（TEMTEM）扫描电镜扫描电镜（SEMSEM）第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版17 1981年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔，年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔，利用量子力学隧道效应，制成了扫描隧穿利用量子力学隧道效应，制成了扫描隧穿显微镜（显微镜（STM），横向分辨率可达），横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率已达纵向分辨率已达0.001nm，1986年两人同获年两人同获诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖. 第十
13、五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版18 STM STM的发明为人的发明为人类探索微观世界提类探索微观世界提供了一个强有力的供了一个强有力的工具，对物理学及工具，对物理学及其相关科学技术领其相关科学技术领域的发展产生了巨域的发展产生了巨大的推动作用大的推动作用. .第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版19 经典经典粒子粒子 不被分割的整体，有确定位不被分割的整体，有确定位置和运动轨道置和运动轨道 . 经典经典的波的波 某种实际的物理
14、量的空间分某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有相干叠加性布作周期性的变化，波具有相干叠加性 . 二二 象象 性性 要求将波和粒子两种对立的要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上属性统一到同一物体上 .四四 德布罗意波的统计解释德布罗意波的统计解释第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版20 单个粒子在何处出现具有偶然性；大单个粒子在何处出现具有偶然性；大量粒子在某处出现的多少具有规律性量粒子在某处出现的多少具有规律性. 粒子粒子在各处出现的概率不同在各处出现的概率不同.1 从从粒子性粒子性方面解释
15、方面解释 电子束电子束狭缝狭缝电子的单缝衍射电子的单缝衍射第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版21 电子密集处，波的强度大；电子稀疏电子密集处，波的强度大；电子稀疏处，波的强度小处，波的强度小.2 从从波动性波动性方面解释方面解释 电子束电子束狭缝狭缝电子的单缝衍射电子的单缝衍射第十五章第十五章 量子物理量子物理15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性物理学第七版22 在某处德布罗意波的强度与粒子在该处在某处德布罗意波的强度与粒子在该处附近出现的概率成正比附近出现的概率成正比
16、.3 结论结论( (统计解释统计解释) ) 1926 年玻恩提出，德布罗意波为年玻恩提出，德布罗意波为概率波概率波.第十五章第十五章 量子物理量子物理本章目录本章目录物理学第七版23选择进入下一节：选择进入下一节：15-1 15-1 黑体辐射黑体辐射 普朗克能量子假设普朗克能量子假设15-4 15-4 氢原子的玻尔理论氢原子的玻尔理论15-3 15-3 康普顿效应康普顿效应15-2 15-2 光电效应光电效应 光的波粒二象性光的波粒二象性15-015-0 教学基本要求教学基本要求第十五章第十五章 量子物理量子物理本章目录本章目录物理学第七版2415-8 15-8 量子力学简介量子力学简介15-
17、9 15-9 氢原子的量子理论简介氢原子的量子理论简介 *15-10 15-10 多电子原子中的电子分布多电子原子中的电子分布*1515-5 -5 弗兰克弗兰克- -赫兹实验赫兹实验15-6 15-6 德布罗意波德布罗意波 实物粒子的二象性实物粒子的二象性15-7 15-7 不确定关系不确定关系 选择进入下一节：选择进入下一节：第十五章第十五章 量子物理量子物理本章目录本章目录物理学第七版25选择进入下一节：选择进入下一节：*1515-11 -11 激光激光*1515-12 -12 半导体半导体*1515-13 -13 超导电性超导电性*1515-14 -14 扫描隧穿显微镜扫描隧穿显微镜*1515-15 -15 纳米材料简介纳米材料简介