人教版高中物理选修3-5：波粒二象性 课件

大。 （可用晶体
对X射线的衍射方法
来分析）
电子衍射实验
戴维逊--革末实验
1929诺贝尔物理学奖
• L.V.德布罗意 • 电子波动性的理论
研究
1937诺贝尔物理学奖
• C.J.戴维孙 • 通过实验发现晶体
对电子的衍射作用
X射线经晶体的衍射图
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电子射线经晶体的衍射图
类似的实验：
1927年，汤姆逊电子衍射实验
能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为的
波相联系，并遵从以下关系：
E=mc2=hv
p m h
这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物 质波或概率波),其波长称为德布罗意波长。
一切实物粒子都有波动性
后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子 等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。 一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？
17.3 波粒二象性
镜面检测 薄膜干涉 增透膜 光的干涉和衍射现象表明光确实是一种波
钢针的衍射 圆孔衍射 圆屏衍射
光电效应以及康 普顿效应等无可 辩驳的证实了光 是一种粒子．
爱因斯坦
康普顿
光是一种波，同时也是一种 粒子，光具有波粒二象性
频率低波长长的 光波动性较明显
光具有波粒二象性
频率高波长短的 光粒子性较明显
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 对比的方法分析问题。
1923年，德布罗意试图把粒子性和 波动性统一起来。1924年，在博士论文 《关于量子理论的研究》中提出德布罗 意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实 验的想法。
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”。
h 1.31025 nm
mv
太小测不到！
h 1.4102 nm
mv
X射线波段
2、戴维逊－革末实验
1927年，Davisson和Germer 进行了电子衍射实验。
（该实验荣获1937年Nobel 物理学奖）
电子束垂直入射
到镍单晶的水平面上，
在 50散射方向
上探测到一个强度极
B、大量光子产生的效果显示出波动性，个 别光子产生的效果则显示出粒子性。
C、频率越低的光，波动性越A显著，频率 越高的光，粒子性越显著。
二、德布罗意的物质波
德布罗意 (due de Broglie, 1892-1960)
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。
【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意 波的波长。 解：估计一个中学生的质量m≈50kg ，百米跑时 速度v≈7m/s ，则
h 6.63 10 34 m 1.9 10 36 m
p 50 7
由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难 表现出其波动性。
【例2】(1)电子动能Ek=100 eV；(2)子弹动量 p=6.63×106 kg.m.s-1, 求德布罗意波长。
粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。
一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时，即具有以能
量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率n和波长
所描述的波动性。
德布罗意关系
n Eh
＝h P
如速度v=5.0102m/s飞行的子 弹，质量为m=10-2Kg，对应的 德布罗意波长为：
如电子m=9.110-31Kg，速 度v=5.0107m/s, 对应的德 布罗意波长为：
当我们用很弱的光做双缝干涉实验 时，将感光胶片放在屏的位置上， 会看到什么样的照片呢？为什么会 有这种现象？
结论
1、这张照片清晰的显
短
示了光的粒子性．
2、光子落在某些条形
曝
区域内的可能性较大
光
（干涉加强区），说明 光子在空间各点出现的
时 间
可能性的大小可以用波
动规律进行解释．
长
光波是一种概率波，概率表征某一事物出现 的可能性．
我们在思考物理概念或物理规律时，往往建 立新的模型
气体分子热运 动时 电流
光的波动性
光的粒子性
随着人类认识的范围不断扩大，不 可能直接感知的事物出现在我们的 眼前，需要我们建立新的模型，提 出新的理论来进行研究，对于一种 模型，只要能与实验结果一致，它 就能在一定范围内表示所研究对象 的规律．
光本性认识
光的波粒二象性
光波有一定的频率和波长，光子有一定 的能量和动量，是个矛盾对立的统一体， 彼此含有对方的成份，共存于光的统一 体中。
Ｅ＝ｈυ＝ｈｃ／λ， ｐ＝ｈυ／ｃ＝ｈ／λ。
2、在一定条件下波动性显著，在另一条件 下粒子性显著，即我们观察到这对矛盾的 主要方面。
A、光在传播过程中波动性显著，光在与物 质作用时粒子性表现显著。
质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子弹的德布洛意 波长为
计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所 以，宏观物体只表现出粒子性。
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运 动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概 念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应， 该波的波长λ= h / p。
1960年，C.Jonson的电子双缝干涉实验
后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也 具有波动性。
德布罗意公式成为揭示微观粒子波－粒二象性的统 一性的基本公式，1929年，De Broglie因发现电子波而荣 获Nobel 物理学奖。
电子显微镜
伽尔顿板实验——表明 单个小球下落的位置是 不确定的,但是它落在中 间狭槽的可能性要大一 些，即小球落在中间的 概率较大．
光既表现出波动性，又表现出粒子性， 由于微观世界的某些属性与宏观世界 不同，而我们的经验仅局限于宏观物 体的运动．在生活中找不到一个既具 有粒子性、又具有波动性的物理模型 帮助我们研究光子的规律．
解 (1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式
求解。
Ek

1 mυ2 2

p2 ,
2m
5.93106
p mυ 2mEk 5.41024
h h =1.23Å
mυ p
h= 6.63×10-34
(2)子弹: h = 1.0×10-40m
p
可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观
惠更斯 波动说
牛顿的 微粒说
麦克斯韦光 的电磁说
爱恩斯坦 光子说
光的波粒 二象性
光的波粒二象性的理解：
1．光子既不是经典的波（惠更斯波）， 也不是经典的粒子（牛顿弹性球）。光是 客观世界物质形式之一。
注：光的波粒二象性最好地反映了自然 科学中的矛盾统一性，对立依存的唯物辩 证思想和奇异和谐美。由此使人类对微观 世界的认识大步向前。