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选修选修3-53-5第十七章第十七章17.317.3崭崭新的一页粒子的波动性新的一页粒子的波动性有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布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？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、五它星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。星期天物理学家休息。”如果你是布拉格教授，将如何机智地回答？如果你是布拉格教授，将如何机智地回答？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光的性质光的性质实验事实实验事实描述的物理量描述的物理量波动性波动性粒子性粒子性波波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性光的干涉光的干涉光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光的衍射光的衍射光电效应光电效应光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应、密立根密立根光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1909爱因斯坦爱因斯坦光的波粒光的波粒二象性二象性光既具有粒子性，又具有波动性光既具有粒子性，又具有波动性。光学发展史光学发展史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）hh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）2.一个电子被一个电子被75V的电压加速后的电压加速后,（电子质量为（电子质量为9.1110-31kg）a.该电子具有多少能量？具有多大的速度？该电子具有多少能量？具有多大的速度？b.它的动量多大？它的动量多大？比较比较X射线光子和电子的动量大小射线光子和电子的动量大小?从中我们能否从中我们能否用类比思想对电子的属性进行大胆的猜想？用类比思想对电子的属性进行大胆的猜想？1.一束波长为一束波长为0.2nm的的X射线在真空中传播射线在真空中传播.（光在真空中传播速度（光在真空中传播速度c=3.0108m/s)a.该该X射线光子具有多少能量射线光子具有多少能量？b.计算这束计算这束X射线光子的动量。射线光子的动量。c.为什么为什么X射线呈现极小的粒子性？射线呈现极小的粒子性？例题例题光光微观粒子微观粒子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1909爱因斯坦爱因斯坦光的波粒光的波粒二象性二象性光既具有光既具有粒子性粒子性，又具有，又具有波动性波动性。1924德布罗意德布罗意粒子的波粒子的波粒二象性粒二象性实物粒子既具有实物粒子既具有粒子性粒子性，也具有波动性。也具有波动性。二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性 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 一一个个质质量量为为m的的实实物物粒粒子子以以速速率率v 运运动动时时，即即具具有有以以能能量量和和动动量量p所所描描述述的的粒粒子子性性，同同时时也也具具有有以以频频率率和波长和波长所描述的波动性。所描述的波动性。h粒子性粒子性波动性波动性二者通过二者通过h h来联系来联系二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意波波波波（物质波）（物质波）（物质波）（物质波）的的的的波长波长波长波长在在 时时电子的德布罗意波长电子的德布罗意波长 注意：注意：对实物粒子，对实物粒子，v是指粒子的速度（群速）是指粒子的速度（群速）故不存在故不存在v=的关系。的关系。加速电势差为加速电势差为 U，则，则二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性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的单位为的单位为eV与与x 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2.一个电子被一个电子被75V75V的电压加速后的电压加速后,（电子质量为（电子质量为9.1110-31kg）a.该电子具有多少能量？具有多大速度？该电子具有多少能量？具有多大速度？=75evb.它的动量多大？它的动量多大？p=4.610-24kgm/sc.求其具有的德布罗意波长。求其具有的德布罗意波长。例题例题=1.410-10m=0.14nm3.如速度如速度v=5.0 102m/s飞行的子弹，质量为飞行的子弹，质量为m=10-2kg，对应的德布罗意波长为多少？对应的德布罗意波长为多少？实在太小！实在太小！X射线射线波段波段 由于由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委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，有人质问：有什么可以验证妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？这一新的观念？如果你是如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？德布罗意，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0.1nm X 射线照在晶体上可以产射线照在晶体上可以产生衍射，电子打在晶体上也能生衍射，电子打在晶体上也能观察电子衍射。观察电子衍射。1927年年 C.J.戴维森与戴维森与 G.P.革末作电子衍射实验，验证电革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。子具有波动性。1.电子衍射实验电子衍射实验1 戴维逊和革末的实验是戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。而验证了物质波的存在。探测器探测器电子束电子束电子枪电子枪镍单晶镍单晶三三.物质波的实验验证物质波的实验验证Ia=0.215nmd=0.0908nm电流出现了周期性变化电流出现了周期性变化Ni单晶单晶da实验结果：实验结果：三三.物质波的实验验证物质波的实验验证实验解释：实验解释：将电子看成波，其波长为德布罗意波长：将电子看成波，其波长为德布罗意波长：既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格既然是波，电流出现最大值时正好满足布喇格公式：公式：即：即：实验装置：实验装置：GNi单单晶晶电电流流计计UBK发射电发射电子阴级子阴级加加速速电电极极显然将电显然将电子看成微子看成微粒无法解粒无法解释。释。实验表实验表明电流明电流最大值最大值正好满正好满足足M三三.物质波的实验验证物质波的实验验证 1927年年 G.P.汤姆逊（汤姆逊（J.J.汤姆逊之子）汤姆逊之子）也独立完成了也独立完成了电子衍射实验。与电子衍射实验。与 C.J.戴维戴维森共获森共获 1937 年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖。学奖。屏屏 P P多晶多晶薄膜薄膜高压高压栅极栅极阴极阴极1.电子衍射实验电子衍射实验2电子束在穿过细晶体粉末电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象或薄金属片后，也象X射线射线一样产生衍射现象。一样产生衍射现象。此后，人们相继证实了原此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有子、分子、中子等都具有波动性。波动性。电子衍射图样电子衍射图样三三.物质波的实验验证物质波的实验验证三三.物质波的实验验证物质波的实验验证三三.物质波的实验验证物质波的实验验证2.电子双缝实验电子双缝实验1961年琼森（年琼森（Claus Jnsson）将一束电子加速到）将一束电子加速到50Kev，让其通过一缝宽为让其通过一缝宽为a=0.5 10-6m，间隔为，间隔为d=2.0 10-6m的的双缝双缝,当电子撞击荧光屏时当电子撞击荧光屏时,发现了类似于双缝衍射实验结发现了类似于双缝衍射实验结果果.大量电子一次性的行为大量电子一次性的行为三三.物质波的实验验证物质波的实验验证电电子子显显微微镜镜电子显微镜下的灰尘电子显微镜下的灰尘回顾与评价回顾与评价我对光的认识经历我对光的认识经历了几个过程：了几个过程：波粒二象性对我的波粒二象性对我的思维冲击：思维冲击：德布罗意假说对我德布罗意假说对我的启发：的启发：我对科学研究方法我对科学研究方法的新体会：的新体会：四四.小结小结
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