粒子的波动性 ppt课件

解：
eU
1 2
m02
2eU m0
h
h
h
m 0 m0 2eU m0 2em 0U
12.21010m
12 .2
o
A
U
U
当U150V0时 0, 11 011m
要观察电子的波性，必须利用晶体进行类 似于X射线的衍射实验。
二.粒子的波粒二象性 可获得电子在不同电压下的波长
U1V 0, 0.3n 9m
赫兹 电磁波实验
实验
惠更斯
麦克斯韦
波
波动说
电磁说
动
性
1690 1672
牛顿 微粒说
1801 1814
18641888 1916 1905 1922
T/年
赫兹 发现光电效应
爱因斯坦 光子说
粒 康普顿效应 子
性
牛顿微粒说 占主导地位
波动说 渐成真理
密立根 光电效应实验
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？
三、光的电磁学说
光是一种电磁波。
你的预言是对的！
麦克斯韦（Maxwell ）
赫兹（Hertz ）
1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在 真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。 1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。
通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电磁 波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波 动理论成为电磁理论的一部分。
傅科（Foucault）
年
被傅科实验所证实】
对光的波动说给予有力支持的几个实验： 1、 1801年托马斯 · 杨（Thomas Young）完成了著名的 “杨氏”实验，并提出了干涉原理； 2、 1809年，马吕斯（Malus）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） 3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）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 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）。
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
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：
支持者
能够解释/无法解释（刚提出时）
牛顿（Newton）
光的直线传播
微 毕奥（Biot）
光的反射
粒 拉普拉斯（Laplace） 光的折射
1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 1580~1626）从实验归 纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。
二、光的微粒说和波动说
光是一种粒子!
光是一种波!
牛顿(Newton)
惠更斯(Huygens)
1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说， 1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。
─ 德布罗意波长（de Broglie wavelength）
1929年,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:“如果 诗人把我们的人生比作是波，改为我们是波才 更为贴切。”
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 动性呢？
17.3崭新的一页: 粒子的波动性
德布罗意 (de Broglie, 1892-1987)
第十七章 波粒二象性
----- 光的认识发展史-------
什么是光？ 光是什么？ 让我们 抚去岁月的风尘 打开历史的卷面 踏着前人的足迹 回顾一下光学说的发展
光学发展史
光是什么?
一、几何光学时期
早在我国先秦时代（公元前400－382年），《墨经》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 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 《光学》，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。
例2 乒乓球的质量为2.0g,速度为5m/s,求德布 罗意波长 ？
解 pmv
由德布罗意公式
h
6.631034
m0v 2.01035
=6.631032m6.631023nm
普朗克常数值极小，宏观物体的波长太短,到现 在为止，我们无法观察到宏观物体的波动性。
例：静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度υ << c。求：德布罗意波长。不考虑相对论效应
说 泊松（Poission）
光在折射率大的介质中传播
马吕斯（Malus）
速率小
光的干涉
胡克（Hooke）
光的直线传播
波 惠更斯（Huygens）
光的反射
动 托马斯·杨（T.Young） 光的折射
说 夫琅和费(Fraunhofer) 光在折射率大的介质中
菲涅耳（Fresnel）
传播速率小【该结论于1862
光具有波粒二象性
频率高、波长短， 粒子性较明显
二.粒子的波粒二象性
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。
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，用类比方法分析问题。
1924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《关于量子理论的研究》中大胆 地把光的波粒二象性推广实物粒子， 如电子，质子等。于是他提出实物 粒子也具有波动性。这种与实物粒 子相联系的波称为德布罗意波.
下面通过两个例子来进行说明。
如：速度υ = 5.0102m/s飞行的子弹，质量为 m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为：
m h1.31025nm太小测不到！
如：电子m=9.110-31Kg，速度υ = 5.0107m/s， 对应的德布罗意波长为：
h 1.4102nm m
X射线波段
宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。
U10V,00.12n3m 与x射线的波长相当 U10V0,00.03n9m
三.物质波的实验验证
由于德布罗意博士论 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 妙，无法接受。于是，有 0.1nm 人质问：有什么可以验证 这一新的观念？
如果你是德布罗意， 将如何验证自己的观点？
• 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。”
• 那么光的本性到底是什么？
一.光的波粒二象性
粒子性
（具有能量）
ph
（具有动量）
波动性
（具有频率）
（具有波长）
m2ch
p mc h
h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁
频率低、波长长， 波动性较明显
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、 光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性， 光具有“波粒二相性”（Wave-particle duality）。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。
光学发展史
托马斯·杨 菲涅耳 双缝干涉 衍射实验
四、量子光学时期
19世纪末到20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，如热辐射、光电效 应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。
普朗克（Planck） 爱因斯坦（Einstein） 康普顿（Compton）
1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体 辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电 效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。
电子衍射
G.P.汤姆孙（1927） 电子衍射实验
多晶 铝 箔
约恩孙（Claus Jö电ns子son的1单96缝0、）双缝、三缝和四缝衍射实验图象
单缝衍射 双缝衍射 三缝衍射 四缝衍射
三.物质波的实验验证
电子在氧化镁晶体半 平面的直边衍射
氧化锌晶体对电子的衍射
钨晶体薄片对 电子的衍射
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。
爱因斯坦觉察到德布罗意物质 波思想的重大意义，誉之为“揭开 一幅大幕的一角”。
二.粒子的波粒二象性
一个质量为 m 的实物粒子以速率 v 运动时, 即具有以能量ε和动量 p 所描述的粒子性，同时 也具有以频率 v 和波长λ所描述的波动性。
Eh
p h
E h
h p
爱因斯坦 ─ 德布罗意关系式
与粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波.
电子显微镜
电子在两个 电极间加速，由 于电压越高，电 子最终获得的动 量越大，它的波 长越短，分辨能 力就越强。
电子显微镜下的灰尘
1. 电子衍射实验
1927年，戴维孙和汤姆孙进行了电子衍
射实验。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。
阴wk.baidu.com 栅极 多晶
K
G
薄膜
Cs
U
高压
屏P 电子衍射图样
1927年，G.P.汤姆孙令一电子束通过薄铝 箔，结果发现，同X射线一样，也能得到清晰 的电子衍射图样。
X射线衍射