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1、17.317.3崭新的一页崭新的一页:粒子的波动性粒子的波动性德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意 (de Broglie,(de Broglie,1892-1987)1892-1987)1 第十七章第十七章 波粒二象性波粒二象性-光的认识发展史光的认识发展史-什么是光？什么是光？光是什么？光是什么？让我们让我们抚去岁月的风尘抚去岁月的风尘打开历史的卷面打开历史的卷面踏着前人的足迹踏着前人的足迹回顾一下光学说的发展回顾一下光学说的发展 1621年年荷荷兰兰科科学学家家菲菲涅涅耳耳（W.snell,15801626）从从实实验验归归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。纳出反射定律、折射
2、定律，在此基础上诞生了几何光学。早在我国先秦时代（公元前早在我国先秦时代（公元前400382年），年），墨经墨经中就详中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书光学光学，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。等问题进行了探讨。光学发展史光学发展史一、几何光学时期一、几何光学时期光是什么光是什么?3二、光的微粒说和波动说二、光的微粒说和波
3、动说 1668年英国科学家牛顿（年英国科学家牛顿（Newton）提出光的）提出光的微粒说微粒说，1678年荷兰物理学家惠更斯（年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的）提出光的波动说波动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出时的出发点和存在的问题：时的出发点和存在的问题：牛顿牛顿(Newton)光是一种粒子光是一种粒子!光是一
4、种波光是一种波!惠更斯惠更斯(Huygens)4微微粒粒说说 支持者支持者波波动动说说牛顿牛顿（NewtonNewton）毕奥（毕奥（毕奥（毕奥（BiotBiot）拉普拉斯（拉普拉斯（拉普拉斯（拉普拉斯（LaplaceLaplace）泊松（泊松（泊松（泊松（PoissionPoission）马吕斯（马吕斯（马吕斯（马吕斯（MalusMalus）胡克（胡克（Hooke）惠更斯（惠更斯（Huygens）托马斯托马斯杨杨（T.Young）夫琅和费夫琅和费(Fraunhofer)菲涅耳（菲涅耳（Fresnel）傅科（傅科（Foucault）能够解释能够解释/无法解释无法解释（刚提出时刚提出时）光的直线
5、传播光的直线传播光的反射光的反射光的折射光的折射光在折射率大的介质中传播光在折射率大的介质中传播速率小速率小光的干涉光的干涉光的直线传播光的直线传播光的反射光的反射光的折射光的折射光在折射率大的介质中光在折射率大的介质中传播速率小传播速率小【该结论于该结论于18621862年年 被傅科实验所证实被傅科实验所证实】5 对光的波动说给予有力支持的几个实验：对光的波动说给予有力支持的几个实验：1、1801年年托马斯托马斯 杨杨（Thomas Young）完成了著名）完成了著名的的“杨氏杨氏”实验实验，并提出了干涉原理；，并提出了干涉原理；2、1809年，年，马吕斯马吕斯（Malus）发现了光的横波性
6、；（尽）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥）管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥）3、1815年，年，菲涅耳菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设）综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。泊松亮斑）。6赫兹（赫兹（Hertz）麦克斯韦（麦克斯韦（Maxwell）1860年，年，麦克斯韦麦克斯韦总结出总结出麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组，得出电磁波在，得出
7、电磁波在真空中传播的速度等于光速真空中传播的速度等于光速 c，从而预言，从而预言光是一种电磁波光是一种电磁波。1888年年赫兹赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。用实验证实了麦克斯韦的预言。通过大量实践可知，通过大量实践可知，红外线红外线、紫外线紫外线和和X 射线射线等都是电等都是电磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。波动理论成为电磁理论的一部分。三、光的电磁学说三、光的电磁学说光是一种电磁波。光是一种电磁波。你的预言是对的！你的预言是对的！7四、量子光学时期四、量子光学时期 19世纪末到世纪末到20
8、世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射热辐射、光电效光电效应应和和康普顿效应康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。等，用经典电磁波理论都无法解释。1900年年普朗克普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体辐射问题。辐射问题。1905年年爱因斯坦爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电提出光量子理论，圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于效应。爱因斯坦的结论于1923年被年被康普顿康普顿的散射实验所证实。的散射实
9、验所证实。普朗克（普朗克（Planck）爱因斯坦（爱因斯坦（Einstein）康普顿（康普顿（Compton）8 从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有光具有“波粒二相性波粒二相性”（Wave-particle duality）。）。光在传播的过程中主要表现出波动光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性。9密立根密立根光
10、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/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10有记者曾问
11、英国物理学家、诺贝尔获奖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？者布拉格教授：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、星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。个粒子，星期天物理学家休息。”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11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）h h 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）
12、12频率低、波长长，频率低、波长长，频率低、波长长，频率低、波长长，波动性较明显波动性较明显波动性较明显波动性较明显频率高、波长短，频率高、波长短，频率高、波长短，频率高、波长短，粒子性较明显粒子性较明显粒子性较明显粒子性较明显光具有光具有波粒二象性波粒二象性 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
13、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。二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性14 一个质量为一个质量为
14、m 的实物粒子以速率的实物粒子以速率 v 运动时运动时,即具有以能量即具有以能量和动量和动量 p 所描述的粒子性，同时所描述的粒子性，同时也具有以频率也具有以频率 v 和波长和波长所描述的波动性。所描述的波动性。与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为物质波物质波或或德布罗意波德布罗意波.爱因斯坦爱因斯坦 德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意波长德布罗意波长（de Broglie wavelength）二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性 1929年年,德布罗意荣获诺贝尔物理学奖，在德布罗意荣获诺贝尔物理学奖，在颁奖仪式上，主席奥西恩无限感慨地说颁奖仪式上，主席奥西恩无限感慨地说:“:“如
15、果如果诗人把我们的人生比作是波，改为我们是波才诗人把我们的人生比作是波，改为我们是波才更为贴切。更为贴切。”既然一切运动的物体都具有波动性，那么宏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，而没有表现出波观物体为什么仅表现出粒子性，而没有表现出波动性呢？动性呢？下面通过两个例子来进行说明。下面通过两个例子来进行说明。如：如：速度速度=5.0 102m/s飞行的飞行的子弹子弹，质量为，质量为m=10-2Kg，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：如：如：电子电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度=5.0 107m/s，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：太
16、小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。17 例例2 2 乒乓球的质量为乒乓球的质量为2.0g,速度为速度为5m/s,求德求德布罗意波长布罗意波长？解解 普朗克常数值极小，宏观物体的波长太短普朗克常数值极小，宏观物体的波长太短,到到现在为止，我们无法观察到宏观物体的波动性。现在为止，我们无法观察到宏观物体的波动性。由德布罗意公式由德布罗意公式18 例：例：静止的电子经电场加速，加速电势差为静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度，速度 c。求：求：德布罗意波长德布罗意波长。不考虑相对论效应不考虑相对论效应解：
17、解：要观察电子的波性，必须利用晶体进行类似要观察电子的波性，必须利用晶体进行类似于于X射线的衍射实验。射线的衍射实验。19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与与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20 由于由于德布罗意博士论德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委文独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证人质问：有什么可以验证这一新的观念？这一新的观念？如果你是德布罗意，如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？
18、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0.1nm0.1nm屏屏屏屏 P P多晶多晶多晶多晶薄膜薄膜薄膜薄膜高压高压高压高压栅极栅极栅极栅极阴极阴极阴极阴极1.电子衍射实验电子衍射实验 1927年，年，戴维孙戴维孙和和汤姆孙汤姆孙进行了电子衍射进行了电子衍射实验。实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象也象X射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。电子衍射图样电子衍射图样电子衍射图样电子衍射图样X X X X射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射 1927年，年，G.P.汤姆孙汤姆孙令一电子束通过薄铝令
19、一电子束通过薄铝箔，结果发现，同箔，结果发现，同X射线一样，也能得到清晰射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。的电子衍射图样。电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验多晶多晶多晶多晶 铝铝铝铝 箔箔箔箔 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象G.P.G.P.G.P.G.P.汤姆孙（汤姆孙（汤姆孙（汤姆孙（1927192719271927）约恩孙（约恩孙（约恩孙（约恩孙（Claus Claus JnssonJnsson 1960196019601960）单缝衍射单缝衍
20、射单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射双缝衍射双缝衍射三缝衍射三缝衍射三缝衍射三缝衍射四缝衍射四缝衍射四缝衍射四缝衍射三三.物质波的实验验证物质波的实验验证25氧化锌晶体对电子的衍射氧化锌晶体对电子的衍射钨晶体薄片对钨晶体薄片对钨晶体薄片对钨晶体薄片对电子的衍射电子的衍射电子的衍射电子的衍射电子在氧化镁晶体半电子在氧化镁晶体半电子在氧化镁晶体半电子在氧化镁晶体半平面的直边衍射平面的直边衍射平面的直边衍射平面的直边衍射 至此，微观粒子具有波粒二象性的理论得到了公认。电子衍射、中子衍射、原子和分子束在晶体表面散射所产生的衍射实验都获得了成功。电子显微镜电子显微镜 电子在两个电子在两个电极间加速，由电极间加速，由于电压越高，电于电压越高，电子最终获得的动子最终获得的动量越大，它的波量越大，它的波长越短，分辨能长越短，分辨能力就越强。力就越强。电子显微镜下的灰尘电子显微镜下的灰尘