大学物理：1波粒二象性
大学物理教案：量子力学基础知识
大学物理教案：量子力学基础知识简介量子力学是现代物理学的重要分支，它描述了微观世界中的粒子行为，并解释了许多奇特的现象。
本教案旨在向大学物理学生介绍量子力学的基础知识，包括波粒二象性、不确定性原理、波函数等核心概念。
目标•理解波粒二象性的概念及其实验观测•掌握不确定性原理及其与经典物理的区别•熟悉波函数的表示和应用教学内容1. 波粒二象性•定义：波粒二象性指微观粒子既具有粒子性质又具有波动性质。
•实验观测：通过双缝干涉实验、康普顿散射实验证明波粒二象性。
•特征：粒子表现出波动行为，如干涉和衍射；波动表现出离散行为，如能级和量子跳跃。
2. 不确定性原理•定义：不确定性原理是由海森堡提出的一个基本原理，它指出在某些物理量之间存在固有的不确定关系。
•区别于经典物理：经典物理中，粒子的位置和动量可以同时被准确测量；而在量子力学中，由于波粒二象性，位置和动量不能同时被准确确定。
•数学表述：∆x * ∆p ≥ h/4π，其中∆x表示位置的不确定性，∆p表示动量的不确定性，h为普朗克常数。
3. 波函数•定义：波函数是描述微观粒子状态及其演化的数学函数。
在薛定谔方程下演化。
•形式：一维情况下可用复数函数表示ψ(x)，三维情况下可用复数函数表示ψ(x, y, z)。
•解释与应用：波函数的平方模值|ψ|^2 表征了粒子在空间中存在的概率分布。
波函数可以描述能级、态叠加等现象。
教学方法与活动建议1.通过实验演示双缝干涉实验，让学生亲身体验波粒二象性。
2.运用黑板或幻灯片展示不确定性原理的公式推导过程，并举例说明其应用。
3.利用计算机模拟软件绘制波函数的图像，让学生观察不同态的波函数变化。
4.在课堂上进行小组讨论和问题解答，加深学生对概念和原理的理解。
总结通过本教案，学生将能够初步了解量子力学中重要的基础知识。
这些核心概念对于理解量子物理现象以及后续相关课程的学习都具有重要意义。
在教学过程中，鼓励学生积极思考并提出问题，以促进他们对量子力学的兴趣和深入理解。
大学物理基础知识波粒二象性与不确定性原理
大学物理基础知识波粒二象性与不确定性原理波粒二象性与不确定性原理是物理学中的重要概念，揭示了微观世界的奇妙行为和限制。
通过波粒二象性，物质既可呈现波动性又可呈现粒子性，而不确定性原理则限制了我们对粒子的同时准确了解其位置和动量。
本文将详细介绍波粒二象性与不确定性原理，并探讨其在量子力学和实际应用中的重要性。
一、波粒二象性波粒二象性是指微观粒子既可表现出波动性，又可表现出粒子性。
在具体描述波粒二象性之前，我们先来了解一下波动性和粒子性。
1. 波动性波动性是指物质表现出波动行为的特性。
根据波动性的性质，波动可以分为机械波和电磁波。
机械波需要通过物质的振动来传播，如声波和水波；而电磁波则是由振荡的电场和磁场构成，如光波和无线电波。
2. 粒子性粒子性是指物质表现出粒子行为的特性。
粒子性的代表是粒子，例如原子、分子和电子等。
粒子具有确定的质量和位置，可以在空间中运动，并与其他粒子相互作用。
在20世纪初，由于物理学实验中的一系列现象无法仅通过光的波动模型来解释，科学家们开始思考微观粒子的真实本质。
在此背景下，波粒二象性的概念应运而生。
波粒二象性告诉我们，微观粒子既可以像波一样传播和干涉，也可以像粒子一样定位和计数。
著名的物理学家德布罗意（Louis de Broglie）提出了波粒二象性的概念，他认为一个运动的微观粒子具有与其动量相关的波长。
这意味着微观粒子不仅具有粒子性质，还具有波动性质。
二、不确定性原理不确定性原理是由物理学家海森堡（Werner Heisenberg）在1927年提出的，它表明了我们在同时准确测量一个粒子的位置和动量时所面临的困难。
根据不确定性原理，我们无法同时确定一个粒子的位置和动量，更准确地说是不能将它们的不确定度降低到零。
当我们试图通过测量来确定粒子的位置时，其动量的测量结果将会变得不确定；相反，当我们试图测量粒子的动量时，其位置的测量结果将会变得不确定。
不确定性原理的表达式为：Δx * Δp ≥ h/4π其中，Δx表示位置的不确定度，Δp表示动量的不确定度，h为普朗克常数。
大学物理15 量子物理基础1
m
o
0.1A
(2) 若使其质量为m=0.1g的小球以与粒子相同的 速率运动,求其波长
若 m=0.1g 的小球速率 vm v
vm
v
q BR m
则 ：m
h m vm
h m
1 v
h m
m q BR
h q BR
m m
6.64 10 27 0.1 10 3
6.641034
m
px x h
考虑到在两个一级极小值之外还有电子出现，
运动,则其波长为多少? (粒子质量为ma =6.64ⅹ10-27kg)(05.08…)
解:
(1)
求粒子德布罗意波长 h h
p m v
先求：m v ?
而：q vB
m
v2 R
m v q BR
h m v
h q BR
6.63 10 34 1.601019 0.025 0.083102
1.001011
( x,t ) 0 区别于经典波动
(
x,
t)
e i 2
0
(t x
)
自由粒子沿x方向运动时对应的单色平面波波函数
设运动的实物粒子的能量为E、动量为 p，与之相 关联的频率为 、波长为，将德布罗意关系式代入：
考虑到自由粒子沿三维方向的传播
式中的 、E 和 p 体现了微观粒子的波粒二象性
2、概率密度——波函数的统计解释 根据玻恩对德布罗意波的统计解释，物质波波
p mv h
德布罗意公式(或假设)
与实物粒子相联系的波称为德布罗意波(或物质波)
h h h
p mv m0v
1
v2 c2
如果v c,则 h
m0v
大学物理-波粒二象性
1 2
mv
2 m
h
A
A：逸出功
光子打出光电子是瞬时发生的(109 s) I N 单位时间打出光电子多 im
h > A 时才能产生光电效应，当 <A/h时，
不发生光电效应，所以存在：
红限频率
0
A h
光量子假设解释了光电效应的全部实验规律！
但是光量子理论在当时并未被物理学界接受， 普朗克在推荐爱因斯坦为柏林科学院院士时说
2h 3
M (T ) c2 eh kT 1
普朗克常量：h 6.626 1034 J s 4.1361015eV s
在全波段与实验曲线惊人地符合！
M (10 - 9 W/(m2 Hz))
2000K
（1900）M
(T
)
2
c2
2
kT
实验曲线
普朗克黑体辐射公式
M
(T )
2h
c2
3
e h kT
1
1926 年 ， 薛 定 谔 (E.Schrodinger) 提出了非相对论粒子（能量远小于 静能）的运动方程—薛定谔方程， 由此方程出发的量子力学称为波动 力学。
同年，狄拉克（P.A.M. Dirac）提出了电子 的相对论性运动方程—狄拉克方程，把狭义相 对论引入薛定谔方程，统一了量子论和相对论 ，为研究粒子物理的量子场论奠定了基础。
光电流 电子电量
单位时间到达光电子数
25
﹡实验规律
(1) 饱和电流
im2
加速电势差增大时光电 im1
流增大，当加速电势差
增大到一定量值时，光
电流达到饱和值。
-Uc
(2) 光电子的最大初动能∝v入 , Uc/V
大学物理中的波粒二象性问题
大学物理中的波粒二象性问题波粒二象性是指光和其他微观粒子既可以表现出波动性，也可以表现出粒子性的现象。
这种二象性对于理解物理世界的一些基本原理和现象至关重要。
本文将重点讨论大学物理中的波粒二象性问题。
一、光的波粒二象性问题在物理学中，光既可以进行干涉和衍射等波动现象，也可以表现出光的能量是以光量子的形式传递的粒子性。
这种波粒二象性的问题成为光的波粒二象性问题。
波动理论认为，光是由电磁波组成的。
光的干涉和衍射现象可以得到很好的解释。
然而，对于特定实验现象，如光电效应和康普顿散射等，光的粒子性解释更为合理。
这就导致了波粒二象性的存在。
二、粒子的波粒二象性问题对于微观粒子，如电子、中子等，在一些实验中也可以观察到波动现象，如动态干涉和衍射。
例如，电子双缝干涉实验。
当电子通过双缝时，它们会形成干涉条纹，展示出波动性。
这一实验结果表明，尽管电子具有质量和电荷，它们也具有波动性质。
三、波粒二象性解释在20世纪初，普朗克提出了能量量子化的概念，为解释黑体辐射实验结果做出了贡献。
随后，爱因斯坦利用光电效应实验的结果，进一步提出了光的粒子性，并称之为光的能量子。
德布罗意假设是对波粒二象性的一种解释。
德布罗意假设认为，微观粒子具有波动性，其波长与动量呈反比关系。
这一假设通过实验得到了验证，奠定了波粒二象性的理论基础。
四、波粒二象性应用波粒二象性的研究不仅对于理解光和微观粒子的性质有重要意义，也在物理学的其他领域有广泛的应用。
在能谱分析中，波粒二象性可以解释光谱线的产生原理。
在原子物理学中，通过波粒二象性来解释电子在原子轨道中的分布和电子云的性质。
在量子力学中，波粒二象性为物质的波函数理论提供了基础。
此外，波粒二象性被应用于现代技术，如激光、光导纤维通信等。
五、波粒二象性的影响和挑战波粒二象性的存在给物理学家们提出了一些困惑。
到目前为止，波粒二象性的真正本质尚未完全揭示。
这也是量子力学领域仍然存在的挑战之一。
同时，波粒二象性的研究也推动了许多新理论的提出和实验的发展。
大学物理：18-5 德布罗意波 波粒二象性
L.V.de Broglie 1892 ——1987
整个世纪以来，在辐射理论上， 比起波动的研究方法来，是过于忽 视了粒子的研究方法；在实物理论 上，是否发生了相反的错误呢？是 不是我们关于粒子图象想得太多， 而过分地忽略了波的图象呢？
－－－德布罗意
回顾：光的本性的两个不同侧面
波动性： 表现在传播过程中（干涉、衍射）
对物质波的描述 E = mc2 = hν
p = mv = h
ν = E = mc2
λ
hh
λ=h= h = h
p mv m0v
1
−
v c
2 2
德布罗意公式
如果 v << c ，那么 λ = h
m0v
简洁地把对粒子描述手段 E, p
和对波的描述手段
ν , λ 联系到一起
与光子比较 光子 E = mc 2 = h ν
mv
宏观物质λ均太小，难以觉察其波动特性
2. 戴维孙-革末实验
1923年 ： 用电子散射实验研究镍原子结构 1925年 ： 偶然事件后实验曲线反常，出现 若干峰值，当时未和衍射联系起来。
φ
1926年： 了解德布罗意物质波假设
1927年： 有意识寻求电子波实验依据， 2~3 个月出成果，观察到电子衍射现象。
粒子性： 表现在与物质相互作用中 （光电效应、康普顿效应）
无法用经典语言（波动或粒子）准确建立光的模型。
光的量子理论模型－光子
E = h ν = hc = mc 2 λ
p
=
mc
=
h
λ
m
=
E c2
=
h
cλ
具有“波粒二象性”
借用经典“波”和“粒 子”术语，但既不是经 典波，又不是经典粒子
大学物理学习指导 第10章 光与物质的相互作用
第10章 光与物质的相互作用10.1 内容提要（一）光的波粒二象性 1.普朗克量子假设（1）一个频率为v 的谐振子只能处于一系列不连续的分立状态，在这些状态中，谐振子的能量只能是某一最小能量ε= hv 的整数倍，即hv ，2hv ，3hv ，…，nhv其中n 为正整数，h 是普朗克常量，ε=hv 称为能量子。
（2）当谐振子从一个量子态跃迁到另一个量子态时，谐振子将发射或吸收以能量子（现称为光子）为单位的电磁能。
一个光量子的能量就是两个相邻量子态之间的能量差，即Thh E ==ν （10.1） 而当谐振子停留在原来的量子态时，它将不发射或吸收任何能量。
普朗克的量子假设突破了经典物理学的观念，第一次提出了微观粒子具有分立的能量值，即振子的能量是按量子数做阶梯式分布，后来人们把振子处于某些能量状态，形象地称为处于某个能级。
2.爱因斯坦的光量子学说（1）光电效应：当光照到某些金属的表面时，金属内部的自由电子会逸出金属表面，这种光致电子发射现象叫做光电效应。
（2）爱因斯坦的光量子假设：光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子叫光量子，也叫光子。
光子以光速运动，对于频率为v 的光束，光子的能量为νεh = （10.2）按照爱因斯坦的光子假设，频率为v 的光束可以看作是由许多能量均等于hv 的光子所构成；频率越高，光子的能量越大；对给定频率的光束来说，光的强度越大，就表示光子的数目越多。
（3）爱因斯坦的光电效应方程：0221A m h m +=v ν （10.3） 式（10.3）中A 0为逸出功，221m m v 为电子的初动能。
3.光的波粒二象性（1）光子的能量： λνhch E == （10.4）（2）光子的质量： λνhch m ==2（10.5）（3）光子的动量： λhmc p == （10.6）（二）光的吸收 散射 色散 1.光的吸收（1）朗伯定律：当一束单色光透过一定厚度的介质时，透射光的强度就会降低，并且产生吸收光谱。
大学物理有哪些内容
引言概述：大学物理作为一门重要的基础学科，涵盖了丰富而广泛的知识体系。
本文将继续讨论大学物理的内容，并详细阐述其五个主要领域，包括经典力学、电磁学、热学、光学和量子力学。
通过深入探讨每个领域的五至九个小点，我们将进一步了解大学物理的核心知识和重要概念，为我们构建牢固的物理学基础提供帮助。
正文内容：一、经典力学1.牛顿力学：牛顿定律、运动方程等基本理论。
2.质点运动：质点的直线运动、曲线运动和圆周运动等。
3.常见力学问题：例如摩擦力、弹性力和重力等。
4.动量和能量：动量和能量守恒定律等。
5.刚体力学：刚体运动、静力学和动力学等。
二、电磁学1.静电学：电场、电势和电荷等基本概念。
2.电场和电势：电场线、库仑定律和电势能等。
3.电磁感应：法拉第定律、电磁感应现象和感应电动势等。
4.交流电路：交流电路中的电阻、电感和电容等。
5.电磁波：电磁波的概念、性质和传播等。
三、热学1.温度和热量：温度的测量、热传递和热量计算等。
2.热力学定律：热力学第一定律和第二定律等。
3.状态方程：理想气体状态方程和非理想气体状态方程等。
4.热力学过程：等温过程、绝热过程和等压过程等。
5.热机和制冷：卡诺循环、制冷系统和热机效率等。
四、光学1.几何光学：反射、折射和光的成像等。
2.光的衍射和干涉：衍射和干涉现象的基本原理和应用。
3.光的波动性：光的波粒二象性和光的偏振等。
4.光的色散：光的色散现象和光的波长测量等。
5.现代光学：激光、光纤和光学器件等。
五、量子力学1.波粒二象性：波动方程和波粒二象性的基本理论。
2.波函数和薛定谔方程：波函数的性质和薛定谔方程的解析等。
3.粒子在势场中的运动：一维势场和三维势场中的粒子运动等。
4.量子力学中的算符：算符的定义、本征值和本征函数等。
5.微扰理论和矩阵力学：微扰理论的应用和矩阵力学的基本原理等。
总结：大学物理作为一门重要的学科，囊括了经典力学、电磁学、热学、光学和量子力学等多个领域。
大学物理(15.5.2)--德布罗意波实物粒子的波粒二象性
第十五单元 量子物理第十五单元 量子物理Quantum PhysicsQuantum Physics第五讲 德布罗意波实物粒子的波粒二象性1923年, 提出电子既具有粒子性又具有波动性, 1924年在他的博士论文《关于量子理论的研究》中提出把粒子性和波动性统一起来。
为量子力学的建立提供了物理基础。
他的论述被爱因斯坦誉为 “揭开了巨大面罩的一角”。
德布罗意为此获得1929年诺贝尔物理学奖。
一、背景1、Planck-Einstein光量子理论量子理论是首先在黑体辐射问题上突破的，Planck提出了能量子的概念；Einstein利用能量子假设提出了光量子的概念，从而解决了光电效应的问题；光量子概念在Compton散射实验中得到了直接的验证。
2、Bohr的量子论Bohr把Planck-Einstein的量子概念创造性的用来解决原子结构和原子光谱的问题，成功地解释了氢原子光谱。
“同我(Louis Victor de Broglie)哥哥进行的这些长期讨论……对我非常有益，这些讨论使我深深考虑将波的观点和粒子的观点必须综合在一起的必要性。
”光的本性：（1905年，爱因斯坦）光同时具有波动性和粒子性，波粒二象性的联系：νεh =λh p = 波长、频率是描写波动性的物理量，而动量、能量是描写粒子性的物理量。
光的波动性和粒子性是通过普朗克常数联系在一起的。
●很早认识到光的波动性；●直到1905年认识到光的粒子性。
光： 物理学家十分看重自然界的和谐和对称，运用对称性思想研究性问题，发现新规律以至于在科学上取得突破性成就，在物理学史上屡见不鲜。
问题： 实物粒子：●实物粒子是否也有波动性？●很早认识到实物粒子的粒子性；（经典物理）“整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于‘粒子’的图像想得太多，而过分地忽略了波的图像呢？”“我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我1923我我我—我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我”这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波或物质波(matter wave ) ， 1924年 ，青年博士研究生德布罗意 ，在Planck-Einstein 光量子论和Bohr 原子论的启发下，仔细分析了光的微粒说与波动说的发展历史，根据类比的方法，德布罗意假设：不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子(电子、原子、分子等)也都具有波粒二象性; 具有确定动量 P 和确定能量 E 的实物粒子相当于频率为ν和波长为λ的波，满足：hνmc E ==2λh m p ==v P Eλνh爱因斯坦的支持 :德布罗意的物质波开始并没有受到物理学界的重视，他的导师朗之万将论文寄给了爱因斯坦。
大学物理 量子物理
大学物理量子物理量子力学是现代物理学中的一个重要分支，它研究微观世界中的物质和能量交互作用的规律。
量子物理理论的提出，对人们认识物质结构和微观世界的认识产生了深远影响。
本文将从量子物理的基本原理、波粒二象性、不确定性原理、量子态和测量等方面介绍量子物理的重要概念和理论。
一、基本原理量子物理的基本原理有两个，即波粒二象性和不确定性原理。
波粒二象性指的是微观粒子既可以表现出粒子性，也可以表现出波动性。
例如，电子和光子具有粒子性，但它们同样也具有波动性质，可以表现出干涉和衍射现象。
这个概念的提出打破了经典物理学中物质和能量的边界，揭示了微观世界的奇妙特性。
不确定性原理是由物理学家海森堡首先提出的，它指出在同一时刻无法准确测量微观粒子的位置和动量。
这意味着，我们无法同时确定粒子的位置和速度，只能获得一定的概率分布。
不确定性原理对于物理学的发展产生了重要的影响，推动了测量技术和观测方法的不断发展。
二、波粒二象性波粒二象性是量子物理的核心概念之一。
根据量子力学的理论，所有物质（如电子、质子、中子）和能量（如光子、声子）都具有波粒二象性。
这意味着微观粒子既可以像波一样传播，又可以像粒子一样进行相互作用。
作为波动粒子，微观粒子具有波长和频率的性质。
其波长与动量存在关系，即德布罗意波长公式λ=h/p，其中λ为波长，h为普朗克常数，p为动量。
这个公式揭示了粒子的波动性质。
作为粒子，微观粒子也具有质量和能量的性质。
粒子的能量以量子的形式存在，即能级跃迁的形式，能量差以光子的形式辐射出来。
三、不确定性原理不确定性原理是量子力学的核心原理之一，它指出在量子系统中，位置和动量的确定性无法同时达到最大。
也就是说，我们不能同时知道一个粒子的位置和动量的确切值，只能知道它们的概率分布。
根据不确定性原理，我们可以利用测量仪器获得一个粒子的位置的近似值，但同时粒子的动量将变得不确定。
反之亦然，如果我们通过测量仪器获得一个粒子的动量的近似值，那么粒子的位置将变得不确定。
物理大三知识点归纳
物理大三知识点归纳在大学物理学习的过程中，大三是一个重要的阶段。
在这个阶段，学生们将接触到更加深入和复杂的物理知识，并且需要进行更加细致的学习和思考。
本文将对大三物理课程中的重要知识点进行归纳和总结，以帮助学生们更好地掌握和运用这些知识。
一、电磁场和电磁波1. 麦克斯韦方程组：介绍电磁学基本定律，包括电场和磁场的生成和相互作用关系。
2. 电磁波的传播：讲解电磁波的传播规律和性质，包括波长、频率、速度等概念的基本理解。
3. 辐射和天线：介绍辐射和天线的基本原理和应用，包括天线的工作原理和辐射场的特性等方面的知识。
二、量子力学基本概念1. 波粒二象性：说明量子力学的基本原理，包括波动性和粒子性的共存。
2. 玻尔原子模型：介绍玻尔原子模型的基本概念和量子力学的应用，如能级、波函数等。
3. 波函数的统计解释：讲解波函数的统计解释和量子力学中的概率密度等概念。
三、固体物理学1. 晶体结构：讲解晶体结构的分类和性质，包括周期性、晶格常数等基本概念。
2. 电子能带理论：介绍电子能带理论的基本原理和应用，包括导体、绝缘体和半导体的区别与特性等。
3. 半导体器件：讲解半导体器件的工作原理，如二极管、场效应管等。
四、核物理1. 原子核的结构：介绍原子核的基本结构和组成，包括质子、中子和核子的相互作用等。
2. 放射性衰变：讲解放射性衰变的基本过程和特性，包括α衰变、β衰变等。
3. 核反应和核能：介绍核反应和核能的基本概念和应用，包括核聚变和核裂变等。
五、相对论1. 狭义相对论的基本原理：讲解狭义相对论的基本概念和原理，包括相对性原理、等效原理等。
2. 狭义相对论的几何性质：介绍狭义相对论的几何性质和相对性理论中的时空观念等方面的知识。
六、宇宙学1. 宇宙的起源和演化：讲解宇宙的起源和演化理论，包括大爆炸理论和宇宙膨胀等概念。
2. 宇宙微波背景辐射：介绍宇宙微波背景辐射的起源和探测方法等。
以上仅是大三物理知识的一部分，但这些知识点是大三物理学习中较为重要和常见的内容。
波粒二象性波粒二象性
波粒二象性波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。
波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。
在经典力学中，研究对象总是被明确区分为两类：波和粒子。
前者的典型例子是光，后者则组成了我们常说的“物质”。
1905年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。
1924年，德布罗意提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。
根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。
目录简介历史惠更斯和牛顿，早期光理论费涅尔、麦克斯韦和杨爱因斯坦和光子光电效应方程德布罗意假设玻恩概率波薛定谔方程简介历史惠更斯和牛顿，早期光理论费涅尔、麦克斯韦和杨爱因斯坦和光子光电效应方程德布罗意假设玻恩概率波薛定谔方程展开编辑本段简介波粒二象性（wave-particle duality）是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。
波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。
编辑本段历史在十九世纪末，日臻成熟的原子理论逐渐盛行，根据原子理论的看法，物质都是由微小的粒子——原子构成。
比如原本被认为是一种流体的电，由汤普森的阴极射线实验证明是由被称为电子的粒子所组成。
因此，人们认为大多数的物质是由粒子所组成。
而与此同时，波被认为是物质的另一种存在方式。
波动理论已经被相当深入地研究，包括干涉和衍射等现象。
由于光在托马斯·杨的双缝干涉实验中，以及夫琅和费衍射中所展现的特性，明显地说明它是一种波动。
不过在二十世纪来临之时，这个观点面临了一些挑战。
1905年由阿尔伯特·爱因斯坦研究的光电效应展示了光粒子性的一面。
随后，电子衍射被预言和证实了。
这又展现了原来被认为是粒子的电子波动性的一面。
这个波与粒子的困扰终于在二十世纪初由量子力学的建立所解决，即所谓波粒二象性。
它提供了一个理论框架，使得任何物质在一定的环境下都能够表现出这两种性质。
大学物理波粒二象性(PPT课件)
1926 - 27 Davisson, G.P.Thomson 电子衍射实验
1927年，戴维孙（C.J.Davisson）和革末（L.H.Germer）通 过镍单晶体表面对电子束的散射，观测到和X光衍射类似的电 子衍射现象；同年，G.P.汤姆孙（G.P.Thomson）用电子束通 过多晶薄膜，证实了电子的波动性。
材料种类和表面情况
M 取决于 T 、 、
爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论 的矛盾，提出了光量子的假说，为量子 理论的进一步发展打开了局面。
1913 N.Bohr 原子能量量子化
玻尔在卢瑟福原子有核模型的基础上， 应用量子化的概念解释了氢原子光谱， 从而使前期量子论取得了很大的成功。
B、量子力学的建立（崭新概念） 1923 de Broglie 电子具有波动性
量子物理的理论基础独立于经典力学，同我们的日 常感受格格不入。对于生活在宏观世界又比较熟悉经 典力学的人们来说，学习量子物理确有一定难度。初 学者往往试图用经典的概念去理解量子物理，这将使 学习陷入困境。 物理学是基于实验事实的学科，对于量子物理来说 尤其是这样。合理的假定总是有些道理可讲的，但它 不能由更基本的假定或理论推导出来，其正确性只能 用实验来检验。相信这些基本假定，并自觉应用它们 去分析和解决问题，是学习和理解量子物理的第一步。
近代物理（20世纪） 相对论
1905 狭义相对论 1916 广义相对论 － 引力、天体 量子力学 A 旧量子论的形成（冲破经典－量子假说）
1900 Planck
大学物理近代物理知识点归纳总结
大学物理近代物理知识点归纳总结近代物理是物理学中的一个重要分支，涵盖了许多原子、分子、核物理以及相对论等领域的知识。
本文将对大学物理中的近代物理知识点进行归纳总结，以帮助读者更好地掌握这一领域的核心概念。
1. 光电效应光电效应是指当光线照射到金属等材料表面时，会引起光电子的发射现象。
其中，光子是光的量子，具有一定能量和动量。
光电效应的重要特点是光电子的发射速度与入射光的频率有关，与光的强度无关。
这一现象为量子论的出现提供了重要的实验依据。
2. 波粒二象性波粒二象性是指微观粒子既具有粒子的粒状特性，同时又具有波动的波状特性。
根据德布罗意波动假设，物质粒子的波动性质与其动量有关。
波粒二象性的实验表现包括电子衍射、中子干涉等现象，揭示了微观世界的奇特性质。
3. 原子结构近代物理学对原子结构的研究深入揭示了原子的组成和性质。
根据玻尔模型，原子可以视为由中心核和绕核运动的电子构成。
电子在不同能级上的运动状态决定了元素的化学性质。
原子结构的研究为量子力学的发展奠定了基础。
4. 相对论相对论是爱因斯坦于20世纪初提出的一种新的物理理论，揭示了物质与能量之间的等价关系。
狭义相对论说明了在高速运动和强引力场中的物理规律，涵盖了时间膨胀、长度收缩、质能关系等知识点。
广义相对论进一步将引力解释为时空弯曲的结果，提出了引力波等概念。
5. 核物理核物理研究原子核的结构、稳定性以及核反应等现象。
其中，核衰变是指核自发发出辐射粒子转变为另一种核的过程。
核裂变是指重核分裂为两个或更多的核片，释放出大量能量。
核聚变是指轻核融合成重核，也伴随着巨大的能量释放。
核物理的研究对于能源的开发和利用具有重要意义。
6. 量子力学量子力学是近代物理学的重要理论基础，揭示了微观世界的奇特现象。
薛定谔方程是量子力学的基本方程，描述了粒子的波函数演化规律。
量子力学的概念包括波函数、测量、不确定性原理等，通过数学形式描述了微观粒子的性质。
7. 统计物理统计物理研究大量粒子的集体行为，并从统计角度解释了宏观系统的性质。
波粒二象性大学物理中光和物质的波粒性质
波粒二象性大学物理中光和物质的波粒性质波粒二象性是指一种现象，即光和物质在某些实验条件下，既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性。
这个概念自20世纪初由物理学家们提出以来，对于量子力学的发展和对光和物质的理解有着重要意义。
本文将探讨光和物质的波粒二象性以及相关实验和应用。
一、光的波粒二象性光既可以被看作是一种电磁波，也可以被看作是由光子组成的粒子。
光的波动性可以通过干涉、衍射和偏振等实验得到验证。
其中，干涉实验可以用来证明光的波动性，它基于光波的叠加和相干性原理。
而衍射实验则通过光波在物体边缘的扩散现象来证明光的波动性。
此外，光的偏振现象也是光波动性的重要证据。
然而，光也表现出粒子性，这一观点最早由爱因斯坦在1905年提出，并为此获得了诺贝尔物理学奖。
根据爱因斯坦的光电效应理论，当光照射到金属表面时，光子会与金属内的电子发生相互作用，将一部分能量传递给电子，使其成为自由电子。
这表明光可以像粒子一样具有能量和动量，并与物质发生相互作用。
二、物质的波粒二象性物质的波粒二象性最明显的体现是在电子和其他微观粒子上。
根据德布罗意的波动假说，任何具有动量的物质粒子都可以看作是一个波动，其波长与动量呈反比。
这一假说随后通过实验证实，例如电子经过晶体的衍射实验。
该实验使用电子束代替光束，显示出与光的衍射类似的干涉条纹。
物质的粒子性主要可通过散射和定点成像实验来验证。
散射实验表明物质粒子在碰撞或探测物体时，呈现出像粒子一样的特性，可以观察到散射角度和动量传递的关系。
而定点成像实验证实了物质粒子的位置和路径的局部化。
三、波粒二象性的实验和应用波粒二象性的实验证明了量子力学的基本原理，进一步加深了对光和物质的理解。
例如双缝干涉实验是研究光和物质波动性的重要实验之一，不仅可以验证波动性，还可以通过单个粒子穿过两个缝隙的干涉现象来观察粒子性。
波粒二象性的研究也为一些现代科技带来了巨大影响。
例如，基于光子的激光技术已广泛应用于医学、通信和材料科学等领域。
研究大学物理中的波粒二象性
研究大学物理中的波粒二象性在大学物理领域中，波粒二象性是一项重要的研究课题。
它指的是微观粒子既可以表现出波动性，又可以表现出粒子性的现象。
本文将对波粒二象性的概念、相关的实验证据以及其在现代科学中的应用进行探讨。
一、波粒二象性概述波粒二象性，也被称为量子物理的核心原理之一，揭示了微观粒子的特性与行为。
在经典物理学中，物质要么被视为波动，要么被视为粒子。
然而，在实践中，人们发现微观领域中的实验结果不能完全用这两种模型解释，于是波粒二象性被提出。
根据波粒二象性，微观粒子既可以以粒子的形式存在，具有确定的位置和动量，又可以以波动的形式传播，具有波长和频率。
这种二象性是量子力学的核心概念，也表明了经典物理规律在微观领域的失效。
二、波粒二象性的实验验证1. 光的双缝干涉实验光的双缝干涉实验是证明波粒二象性的经典实验之一。
当光通过两个狭缝时，形成的衍射光会产生干涉图案。
而令人惊讶的是，即使将光弱化到极限，以至于只有一个光子通过时，仍然能观察到干涉现象。
这说明了光既可以以粒子的形式表示（一个一个的光子），也可以以波动的形式表示（产生波纹干涉图案）。
这个实验成为了证明波粒二象性的重要实验之一。
2. 配位发射中的电子衍射实验电子衍射实验也是一个有力的实验证据。
在这个实验中，通过将电子发射到一个晶体中，可以观察到沿特定方向形成的衍射图样。
这表明电子具有波动特性，并符合布拉格衍射的规律。
由于波粒二象性，电子既可以看作是以粒子形式存在（在确定的位置上），又可以视作波动形式（具有确定的波长和频率）。
这个实验加强了波粒二象性的概念。
三、波粒二象性的应用1. 量子力学波粒二象性是量子力学研究的基础。
量子力学是研究微观领域行为的理论框架，它能够解释许多经典物理学无法解释的现象。
通过考虑波粒二象性，量子力学成功地解决了电子轨道结构、微观粒子的碰撞等问题，并发展出了一套完备的理论体系。
2. 应用于技术领域波粒二象性的理论不仅仅在理论物理学中具有重要意义，在技术领域也有着广泛的应用。
波粒二象性实验大学物理中光子干涉与衍射实验
波粒二象性实验大学物理中光子干涉与衍射实验波粒二象性实验：大学物理中光子干涉与衍射实验导言：波粒二象性实验是20世纪初物理学发展中的重大突破之一，揭示了微观领域中光子的奇特性质。
本文将介绍大学物理中关于光子干涉与衍射实验的知识，并探讨其在实践中的应用。
一、实验原理光是一种电磁波，也可以被视为一种粒子，即光子。
根据波粒二象性原理，光子既具有粒子的特性，也表现出波的行为。
光子干涉与衍射实验正是验证这一原理的重要方法之一。
1. 光的干涉实验干涉是两个或多个波同时作用于同一位置以产生波的相长和相消干涉现象。
在光的干涉实验中，光通过一个光栅或两个狭缝，发生了折射或反射，产生了相长或相消的干涉现象。
这一实验被广泛应用于验证光的波动性质和测量波长等研究中。
2. 光的衍射实验光的衍射是光波在绕过物体边缘或通过狭缝时发生的现象，当光通过狭缝或绕过物体边缘时，会出现交替的明暗条纹。
衍射实验在光学中有广泛的应用，如衍射光栅、单缝衍射等实验，帮助科学家深入研究光的波动本质。
二、实验装置光子干涉与衍射实验需要精确的装置来控制光的传播和测量结果。
常见的实验装置包括：1. 光源：使用激光器或单色光源作为实验所需的光源，保证光的单色性。
2. 光栅：用于产生干涉条纹或衍射效应的光栅，可以是玻璃、金属等材料制成。
3. 狭缝：实验中常使用的单缝或双缝来观察光的干涉与衍射现象。
4. 探测器：使用光电探测器或干涉仪等设备来测量光的强度变化。
三、实验现象与结果1. 干涉实验中，当两束光波相遇后，可能出现相长干涉和相消干涉。
相长干涉时，两束光强相加，产生亮条纹；相消干涉时，两束光强相消，产生暗条纹。
通过测量这些条纹的位置和强度变化，可以得到光的波长、光程差等信息。
2. 衍射实验中，可以观察到单缝或双缝通过光后，产生的衍射条纹。
这些条纹的形态和间距可以用来确定光的波长、缝宽等参数。
同时，通过观察衍射条纹的分布情况，还可以得到光源的空间分布特性。
大学物理(下册) 14.5 德布罗意波 不确定关系
解：分析 首先求得加速后电子的速率，再由德布 罗意关系求得德布罗意波长。经过加速后，电子的 动能、速率及波长分别为：
1 m0υ2 eU υ 2 2eU m0
h h 1 12.25 10 10 λ 10 110 m m0υ 2m0e U U
注意：此波长数量级与 X 射线波长的数量级相当！ 子弹的德布罗意波长：
例题 14.5.2 由玻尔理论计算得到，氢原子中电子 的运动速率为 2.2 106 m s 1 ,若其不确定范围 为1.0% ，试求电子位置的变化范围。 解：分析 由不确定关系可解：
Δx 2Δp 2me υ
1.05 1034 9 2.6 10 m 31 6 2 9.1110 2.2 10 0.01
a.此值已超出原子线度 1010 m ； b.就原子中的电子而言，其具有确定的位置同时 又具有确定的速率无意义，由于微观粒子的波动性， 核外电子轨道的概念也无意义！
结论：对于具有波粒二象性的微观粒子，不可能再 用坐标、动量描述其运动状态。但若粒子坐标和动 量的不确定量相对较小，说明粒子的波动性不显 著，则仍可应用经典力学处理。不确定关系是量子 力学的基础。
海森伯(W.K.Heisenberg， 1901—1976）：德国理论物理 学家，1927年提出“不确定关 系”，为核物理学和粒子物理 学准备了理论基础，为量子力 学的创立作出了贡献，于1932 年获得诺贝尔物理学奖。
德布罗意（1892 —1987）： 法国 物理学家，1924年他在博士论文 《关于量子理论的研究》中提出把 粒子性和波动性统一起来。5年后 为此获得诺贝尔物理学奖，爱因斯 坦誉之为“揭开一幅大幕的一角”， 为量子力学的建立提供了物理基础.
例题 14.5.1 不考虑相对论效应的前提下，试计算 经过电势差 U 150V 加速后电子的德布罗意波长。
大学物理-德布罗意波 微观粒子的波粒二象性
授课人：沈黄晋
物理科学与技术学院
德布罗意波-物质波 微观粒子的波粒二象性
一、光的波粒二象性引起的思考
德布罗意与物质波
1923年他发表了三篇物质波的小 论文。1924年他在博士论文《量子 论的研究》中正式提出一切物质都具 有波粒二象性的论述。并建议用电子 在晶体上做衍射实验来验证。他的论 述被爱因斯坦赞誉为
h
v
p m0v 1 v2 c2
三、自由粒子的德布罗意波长
h
h
p m0v 1 v2 c2
E 2 p2c2 m02c4 Ek m0c2 2
p
2m0 Ek
1
Ek 2m0c2
h
p
h
2m0 Ek
1
Ek 2m0c2
v c
Ek max
1 2
m0vm2 ax
h
h 0
pmax 2m0Ek max 2m0h 0
ph
min
h pmax
h
2m0h 0
四 德布罗意波的实验证明
电子双缝干涉图样 杨氏双缝干涉图
四 德布罗意波的实验证明
U 54V
G
2
d
2
h h 0.167nm
p 2m0eU
2d sin k
d Dcos
90 2
D 0.215nm
k 1 Dsin 0.165nm
形成驻波，电子在轨道上运动时不辐射能量。
这样的轨道就是定态轨道。
由德布罗意公式可得 mv h nh 2πr
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1925年，海森伯(W.Heisenberg)放 弃电子轨道等经典概念，用实验上 可观测到的光谱线的频率和强度描 述原子过程，奠定了量子力学的一 种形式—矩阵力学的基础。
Байду номын сангаас
§1.1黑体辐射（Black-body radiation）
一、热辐射的基本概念 1、热辐射（thermal radiation） 物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞 使原子激发而辐射电磁波。原子的动能越大， 通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐 射电磁波的波长就越短。
热运动是混乱的，原子的动能与温度有关， 因而辐射电磁波的能量也与温度有关。
例如：加热铁块， 温度，铁块颜色由看
不出发光 暗红 橙色 黄白色 蓝白色
这种与温度有关的电磁辐射，称为热辐射。 并不是所有发光现象都是热辐射，例如： 激光 、 日光灯发光就不是热辐射。 任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自 远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。 温度 辐射中短波长的电磁波的比例
【演示】黑体模型
2、基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律
在平衡热辐射时
T
黑
1
3
M 1 M 2 I(T , ) 1 2 I(T , )－与材料无关的普适函数
黑体 1
M 1
1
M 2
2
M 黑 体
I(T , )
黑体的光谱辐出度最大，与构成黑体的材料
无关。利用黑体可撇开材料的具体性质，普遍
几种温度下辐射最强的电磁波颜色
800K 1000K 1200K 1400K
低温物体（例如人体）也有热辐射，但辐射 较弱，并且主要成分是波长较长的红外线。
头部的红外照片（热的地方显白色，冷的显黑色）
中国第一张红外照片（熊大缜于1935年在清华 大学气象台顶上拍摄的北京西山夜景）
鸟的羽毛的颜色 是不是热辐射？
1926 年 ， 薛 定 谔 (E.Schrodinger) 提出了非相对论粒子（能量远小于 静能）的运动方程—薛定谔方程， 由此方程出发的量子力学称为波动 力学。
同年，狄拉克（P.A.M. Dirac）提 出了电子的相对论性运动方程—狄拉 克方程，把狭义相对论引入薛定谔方 程，统一了量子论和相对论，为研究 粒子物理的量子场论奠定了基础。
研究热辐射本身的规律。
好的辐射体也是好的吸收体
1100K，自身辐射光
首先介绍揭示波粒二象性的实验规律，它们 不但是建立量子力学的实验基础，而且在现代 科学技术中也有广泛的应用。然后简要介绍量 子力学中的一些最基本的概念和规律。
第1章 波粒二象性
Wave-particle duality
§1.1黑体辐射 △ §1.2光电效应（自学）
§1.3光子、光的二象性 §1.4 康普顿效应 §1.5 实物粒子的波动性 §1.6 概率波与概率幅 §1.7不确定关系
矩阵力学和波动力学是等价的，前者偏重 于物质的粒子性，后者偏重于物质的波动性， 它们是量子力学的两种不同描述方式。薛定谔 方程是微分方程，数学工具人们比较熟悉，我 们只简要介绍波动力学。
量子物理的理论基础独立于经典力学，同我 们的日常感受格格不入。对于生活在宏观世界 又比较熟悉经典力学的人们来说，学习量子物 理确有一定难度。初学者往往试图用经典的概 念去理解量子物理，这将使学习陷入困境。
物理学是基于实验事实的信仰，对于量子物 理来说尤其是这样。合理的假定总是有些道理 可讲的，但它不能由更基本的假定或理论推导 出来，其正确性只能用实验来检验。相信这些 基本假定，并自觉应用它们去分析和解决问题， 是学习和理解量子物理的第一步。
强烈建议做好预习，带着问题来上课，否则 你会觉得被动和郁闷。
2、平衡热辐射 加热一物体，若物体所吸收的能量等于在
同一时间内辐射的能量，则物体的温度恒定。
这种温度不变的热辐射称为平衡热辐射。
3、光谱辐出度（单色辐出度）M monochromatic energy density of radiation
M —单位时间内，从物体单位表面发出的频
率在 附近单位频率间隔内的电磁波的能量。
1900年，普朗克（M.Pulanck）提出能量子， 即能量量子化的概念，这对经典物理理论是 一个极大的冲击，因为能量的连续性在经典 物理中是“天经地义”的事情。在物理学上， 能量子概念的提出具有划时代的意义，它标 志了量子力学的诞生。
1905年，为解释光电效应，爱因斯坦提出光 量子（光子）的概念，指出光具有波粒二象性。 1923年，德布罗意（P.L.de Broglie）提出实物 粒子也具有波动性的假设。波粒二象性的假设， 为物质世界建立了一个统一的模型。物质具有 波粒二象性是建立量子力学的一个基本出发点。
(T )
d d
E (吸收) E (入射)
二、黑体（black body）
1、黑体：能完全吸收各种波长电磁波而无反射
的物体，即 1的 物 体。黑体是理想化模型， 即使是煤黑，对太阳光的 也小于 99%。
维恩设计的黑体： 不透明介质空腔开一 小孔，电磁波射入小孔 后，很难再从小孔中射 出。小孔表面是黑体。
量子物理
Quantum Physics
2005年秋季学期
目录 第1章 波粒二象性 第2章 薛定谔方程 第3章 原子中的电子 第4章 固体中的电子 第5章 核物理和粒子物理简介
量子力学是研究原子、分子和凝聚态物质的 结构和性质的理论基础，在化学、生物、信息、 激光、能源和新材料等方面的科学研究和技术 开发中，发挥越来越重要的作用。
T
d E ( d（) 单位时间内）
单位面积
M
d E (T )
d
M 取决于T、 和材
料种类和表面情况
4、（总）辐出度（总发射本领）M(T) radiant exitance
M(T ) M (T )d 单位：w/m2
0
5、单色吸收比（率） (T)
monochromatic absorptance