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1、,第 3 节：粒子的波动性,第十七章：波粒二象性,1. 知道实物粒子和光子一样都具有波粒二象性。 2. 会从能量、动量、波长、频率的角度分析波和粒子之间 的联系。 3. 知道德布罗意波，会计算德布罗意波的波长。,光的本性,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。” 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？,光学发展史,T /年,波动性,粒子性,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,
2、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,光的干涉,光的衍射,光电效应,康普顿效应,、,光子的能量,光子的动量,一、光的波粒二象性,1.光的本性：光既具有粒子性，又具有波动性！,2.说明：描述光的性质的基本关系 左边 、 p 是描述粒子性的，右侧 、 是描述波动性的，它们通过普朗克常量h 联系在一起。,光子和电子、质子等实物粒子一样具有能量和动量，和其他物质相互作用时，粒子性起主导作用。,光在传播时体现出波动性，对不同频率的光，波长越长，波动性越明显。,他认为，“整个世纪以来( 指19世纪 ) 在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话
3、，那末在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢”,德布罗(De Broglie)，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。1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。,二、粒子的波动性,一个质量为 m 的实物粒子以速率 v 运动时，即具有以能量 和动量 p 所描述的粒子性，同时也具有以频率n 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波动性，并都满足德布洛意关系。,1.物质波：实物粒子也具有波动性。这种与实物粒子 相联系的波后
4、来称为德布罗意波，也叫物质波。,德布罗意关系：,2.说明：一切微观粒子都存在波动性，宏观物体也存在波动性，只是波长太小，难以观察。,光具有粒子性，实物粒子具有波动性，这样体现出科学的对称美。,试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。,解：估计一个中学生的质量 m 50 kg ，百米跑时速度 v 7 m/s ，则,由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。,1. 电子动能 k = 100 eV；子弹动量 p = 6.63106 kgms-1, 求德布罗意波长。,解：因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。,由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委员会的高度
5、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？,1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末做电子衍射实验，验证电子具有波动性。,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。,3.物质波的验证：,实验现象,实验装置,显然将电子看成微粒无法解释,M,电流出现了周期性变化,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
6、。与 C.J.戴维森共获 1937年诺贝尔物理学奖。,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,电子衍射实验,电子双缝实验,1961年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 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,电子显微镜,电子显微镜下的灰尘,1. 德布罗意的物质波,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。,2. 物质波的实验验证,电子衍射实验 1,电子衍射实验 2,电子双缝实验,1. 求静止电子经 15000 V 电压加速后的德波波长。,解：静止电子经电压 U 加速后的动能,2. 质量 m = 50 kg 的人，以 v = 15 m/s 的速度运动，试求人的德布罗意波波长。,