物理選修3-5第十七章

波粒二象性第3節(jié)粒子的波動(dòng)性

有記者曾問英國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)卟祭窠淌冢汗馐遣ㄟ€是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息?！蹦敲垂獾谋拘缘降资鞘裁?？新課引入閱讀課本P37“光的波粒二象性”部分,知道光既具有波動(dòng)性又具有粒子性。應(yīng)當(dāng)如何理解光的波粒二象性?光學(xué)發(fā)展史T/年波動(dòng)性粒子性1690惠更斯波動(dòng)說1672牛頓微粒說1905愛因斯坦光子說1864麥克斯韋電磁說1801托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1814菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)1888赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)1916密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)1922康普頓效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動(dòng)說漸成真理科學(xué)視野光學(xué)發(fā)展史T/年波動(dòng)性粒子性1690惠更斯波動(dòng)說1672牛頓微粒說1905愛因斯坦光子說1864麥克斯韋電磁說1909愛因斯坦提出光具有波粒二象性科學(xué)視野粒子性波動(dòng)性（具有能量）（具有頻率）（具有動(dòng)量）hh----架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁一、光的波粒二象性（具有波長(zhǎng)）新課講授1、光既具有波動(dòng)性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。2、光子的能量ε=hν,光子的動(dòng)量

。兩式左側(cè)的物理量ε和p描述光的粒子性,右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動(dòng)性,普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁。一、光的波粒二象性新課講授3、現(xiàn)象與本質(zhì)：光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光是一種______，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光同時(shí)也是一種______．光的波動(dòng)性與粒子性是統(tǒng)一的．只有承認(rèn)光的____________性，才是對(duì)光的本性最全面的認(rèn)識(shí)．波粒子波粒二象閱讀課本P37-38“粒子的波動(dòng)性”部分,知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性。什么是物質(zhì)波?如何表達(dá)?實(shí)物粒子有無(wú)波動(dòng)性呢？

德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問題。他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光學(xué)上,與波動(dòng)方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究;而在實(shí)物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子方面的圖象想得太多，而忽略了波的現(xiàn)象”他提出假設(shè):實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性

德布羅意法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。二.粒子的波動(dòng)性

一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率?

運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量ε和動(dòng)量p

所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率v

和波長(zhǎng)l所描述的波動(dòng)性。后來，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布羅意關(guān)系。一切實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性德布羅意關(guān)系二.粒子的波動(dòng)性實(shí)物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動(dòng)的特性。

這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波)，其波長(zhǎng)

稱為德布羅意波長(zhǎng)。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它相對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)

。二.粒子的波動(dòng)性試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波長(zhǎng)。解：一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量大約為m≈50kg，百米跑時(shí)的速度約為?

≈7m/s，由光子的動(dòng)量表達(dá)式有：由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。想一想子彈:質(zhì)量為m=10-2Kg,速度v=3.0102m/s，對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：電子:質(zhì)量為m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s,對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：宏觀物體波動(dòng)性不明顯微觀粒子波動(dòng)性明顯1、每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系,這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波,也叫作物質(zhì)波。2、物質(zhì)波的波長(zhǎng)、頻率關(guān)系式:二.粒子的波動(dòng)性一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性由于德布羅意博士論文獨(dú)創(chuàng)性，得到了答辯委員會(huì)的高度評(píng)價(jià)，但是人們總覺得他的想法過于玄妙，無(wú)法接受。于是，有人質(zhì)問：有什么可以驗(yàn)證這一新的觀念？

X

射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。如果你是德布羅意，將如何驗(yàn)證自己的觀點(diǎn)？想一想閱讀課本P38“物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”部分，知道物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證宏觀物體的波長(zhǎng)比微觀粒子的波長(zhǎng)小得多，這在生活中很難找到能發(fā)生衍射的障礙物，所以我們并不認(rèn)為它有波動(dòng)性．作為微觀粒子的電子，其德布羅意波波長(zhǎng)為10-10m數(shù)量級(jí)，找與之相匹配的障礙物也非易事．三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的思路：

光的干涉和衍射現(xiàn)象是光具有波動(dòng)性的有力證據(jù)。因此，如果電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子也真具有波動(dòng)性，那么它們就應(yīng)該像光波那樣也能發(fā)生干涉和衍射。

在倫琴射線的研究中找到突破，證實(shí)倫琴射線是電磁波，考慮到電子的德布羅意波長(zhǎng)與倫琴射線的波長(zhǎng)具有相近的數(shù)量級(jí)，1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體進(jìn)行了電子束衍射實(shí)驗(yàn)，從而證實(shí)了電子的波動(dòng)性．說明電子具有波粒二象性．他們?yōu)榇双@1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。電子束穿過鋁箔后的衍射圖像

除了電子以外，后來還陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子，中子以及原子、分子的波動(dòng)性。德布羅意公式成為揭示微觀粒子波－粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，1929年，DeBroglie因此獲Nobel

物理學(xué)獎(jiǎng)，成為以學(xué)位論文獲此殊榮的人。三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。電子衍射實(shí)驗(yàn)11927年C.J.戴維森與G.P.革末作電子衍射實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電子具有波動(dòng)性。戴維遜和革末的實(shí)驗(yàn)是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強(qiáng)度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗(yàn)證了物質(zhì)波的存在。探測(cè)器電子束電子槍鎳單晶

屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實(shí)驗(yàn)2電子束在穿過細(xì)晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。1927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨(dú)立完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，人們相繼證實(shí)了原子、分子、中子等都具有波動(dòng)性。電子衍射圖樣

電子雙縫實(shí)驗(yàn)1961年瓊森（ClausJ?nsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=2.010-6m的雙縫,當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果.大量電子一次性的行為三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1、1927年戴維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實(shí)驗(yàn),得到了電子的衍射圖樣,證實(shí)了電子的波動(dòng)性。2、除了電子以外，后來還陸續(xù)證實(shí)了質(zhì)子，中子以及原子、分子的波動(dòng)性。德布羅意給出的和關(guān)系同樣正確。三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

物質(zhì)波的一個(gè)最重要的應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明．第一臺(tái)電子顯微鏡是由德國(guó)魯斯卡研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)．從波動(dòng)光學(xué)可知，由于顯微鏡的分辨本領(lǐng)與波長(zhǎng)成反比，光學(xué)顯微鏡的最大分辨距離大于0.2μm，最大放大倍數(shù)也只有1000倍左右．自從發(fā)現(xiàn)電子有波動(dòng)性后，電子束德布羅意波長(zhǎng)比光波波長(zhǎng)短得多，而且極方便改變電子波的波長(zhǎng)，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡．物質(zhì)波的應(yīng)用電子顯微鏡電子顯微鏡下的