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1、光的波粒二象性物光的波粒二象性物质波质波第1页，本讲稿共22页有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：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？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、五它是一个波，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。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？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？光的本性光的本性第2页，本讲稿共22页光学发展史光学发展史1672牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说
2、微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯波动说波动说波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光子说光子说光的性光的性质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波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射光电效应光电效应光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应、第3页，本讲稿共22页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1672牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说微粒说微粒说T/
3、年年惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯波动说波动说波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光子说光子说波波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性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1888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占牛顿微粒说占主导地位主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理第4页，本讲稿共22页1672牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯波动说
4、波动说波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光子说光子说波波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性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。光学发展史光学发展史第5页，本讲稿共22页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）hh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一一.光的波粒二象性光的波粒二象性（具有波长）（具有波长）第6页，本讲稿共22页167
5、2牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯惠更斯惠更斯波动说波动说波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光子说光子说波波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性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。二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性第7页，本讲稿共22页 德布罗意原来学习历史
6、，后来改学理论德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用类比方法物理学。他善于用历史的观点，用类比方法分析问题。分析问题。1924年，他考虑到普朗克量子爱因年，他考虑到普朗克量子爱因斯坦光子理论的成功在博士论文斯坦光子理论的成功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光的波粒二中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子，如电子，质子等。于象性推广实物粒子，如电子，质子等。于是他提出是他提出实物粒子也具有波动性实物粒子也具有波动性。这种与。这种与实物粒子相联系的波称为实物粒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波思想的爱因斯坦觉察到德布罗
7、意物质波思想的重大意义，誉之为重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角揭开一幅大幕的一角”。法国物理学家，法国物理学家，1929年年诺贝尔物理学奖获得者，诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。子力学的奠基人之一。二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性第8页，本讲稿共22页 一一个个质质量量为为m的的实实物物粒粒子子以以速速率率v 运运动动时时，即即具具有有以以能能量量和和动动量量p所所描描述述的的粒粒子子性性，同同时时也也具具有有以以频频率率和和波波长长所描述的波动性。所描述的波动性。h粒子性粒子性波动性波动性二者通过二者通过h h来联系来联系二二.粒子
8、的波粒二象性粒子的波粒二象性德布罗意波德布罗意波德布罗意波德布罗意波（物质波）（物质波）（物质波）（物质波）的的的的波长波长波长波长第9页，本讲稿共22页在在 时时 电子的德布罗意波长电子的德布罗意波长 注意：注意：对实物粒子，对实物粒子，v是指粒子的速度（群速）故是指粒子的速度（群速）故不存在不存在v=的关系。的关系。加速电势差为加速电势差为 U，则，则二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性第10页，本讲稿共22页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 二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性第11页，本讲稿共22页
9、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？三三.物质波的实验验证物质波的实验验证0.1nm第12页，本讲稿共22页 X 射线照在晶体上可以产生射线照在晶体上可以产生衍射，电子打在晶体上也能观衍射，电子打在晶体上也能观察电子衍射。察电子衍射。1927年年 C.J.戴维森与戴维森与
10、 G.P.革末作电子衍射实验，验证电子具革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。有波动性。1.电子衍射实验电子衍射实验1 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。探测器探测器电子束电子束电子枪电子枪镍单晶镍单晶三三.物质波的实验验证物质波的实验验证第13页，本讲稿共22页Ia=0.215nmd=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
11、验结果：三三.物质波的实验验证物质波的实验验证第14页，本讲稿共22页实验解释：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：既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格公式：公式：即：即：实验装置：实验装置：GNi单单晶晶电电流流计计UBK发射电发射电子阴级子阴级加加速速电电极极显然将电显然将电子看成微子看成微粒无法解粒无法解释。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三三.物质波的实验验证物质波的实验验证第15页，本讲稿共22页 1927年年 G.P.汤姆逊（汤姆逊（J.J.汤姆逊之子）汤姆逊之子）也
12、独立完成了也独立完成了电子衍射实验。与电子衍射实验。与 C.J.戴维戴维森共获森共获 1937 年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖。奖。屏屏 P P多晶多晶薄膜薄膜高压高压栅极栅极阴极阴极1.电子衍射实验电子衍射实验2电子束在穿过细晶体粉末或薄电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象金属片后，也象X射线一样产射线一样产生衍射现象。生衍射现象。此后，人们相继证实了原此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有子、分子、中子等都具有波动性。波动性。电子衍射图样电子衍射图样三三.物质波的实验验证物质波的实验验证第16页，本讲稿共22页三三.物质波的实验验证物质波的实验验证第17页，本讲稿共22页三三.物
13、质波的实验验证物质波的实验验证第18页，本讲稿共22页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，让其通过一缝宽为过一缝宽为a=0.5 10-6m，间隔为，间隔为d=2.0 10-6m的双缝的双缝,当电子撞当电子撞击荧光屏时击荧光屏时,发现了类似于双缝衍射实验结果发现了类似于双缝衍射实验结果.大量电子一次性的行为大量电子一次性的行为三三.物质波的实验验证物质波的实验验证第19页，本讲稿共22页电电子子显显微微镜镜第20页，本讲稿共22页第21页，本讲稿共22页回顾与评价回顾与评价我对光的认识经历了我对光的认识经历了几个过程：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：德布罗意假说对我的德布罗意假说对我的启发：启发：我对科学研究方法的我对科学研究方法的新体会：新体会：四四.小结小结第22页，本讲稿共22页