高中物理选修3-5：17.3-粒子的波动性-LI

高中物理选修高中物理选修3-53-5：17.3-17.3-粒子的波动性粒子的波动性-LI-LI光的本性光的本性 有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：布拉格教授：光是波还是粒子光是波还是粒子？布拉格幽默地回答道：布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，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。星期天物理学家休息。”如果是你，你会如何回答？如果是你，你会如何回答？那么光的本性到底是什么？那么光的本性到底是什么？密立根密立根密立根密立根光电效应实验光电效应实验光电效应实验光电效应实验光学发展史光学发展史1672167216721672牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说微粒说微粒说T/T/年年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1690169016901690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18641864186418641905190519051905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18011801托马斯托马斯托马斯托马斯 杨双缝杨双缝杨双缝杨双缝干涉实验干涉实验干涉实验干涉实验18141814菲涅耳菲涅耳菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验衍射实验衍射实验赫兹赫兹赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验电磁波实验电磁波实验18881888赫兹发现光赫兹发现光赫兹发现光赫兹发现光电效应电效应电效应电效应1916191619221922康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应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h一一.光的波粒二象性光的波粒二象性具有波长具有波长光既具有粒子性，又具有波动性。光既具有粒子性，又具有波动性。(h h 架起了粒子性与波动性的桥梁架起了粒子性与波动性的桥梁)频率低、波长长，频率低、波长长，频率低、波长长，频率低、波长长，波动性较明显波动性较明显波动性较明显波动性较明显频率高、波长短，频率高、波长短，频率高、波长短，频率高、波长短，粒子性较明显粒子性较明显粒子性较明显粒子性较明显光具有光具有波粒二象性波粒二象性课堂练习：课堂练习：1、光光的的_和和_现现象象说说明明光光具具有有波波动动性性，_现现象象说说明明光光具具有有粒粒子子性性我我们们无无法法只只用用其其中中一一种种观观点点说说明明光光的的一一切切行为，因而认为光具有行为，因而认为光具有_性性2、光光既既具具有有波波动动性性，又又具具有有粒粒子子性性。大大量量光光子子表表现现出出的的_强强，少少量量光光子子表表现现出出的的_强强；频频率率高高的的光光子子表表现现出出的的_强，频率低的光子表现出的强，频率低的光子表现出的_强强干涉干涉衍射衍射光电效应光电效应波粒二象波粒二象波动性波动性粒子性粒子性粒子性粒子性波动性波动性 德布罗意原来学习历史，后德布罗意原来学习历史，后德布罗意原来学习历史，后德布罗意原来学习历史，后改学理论物理。善于用历史的观改学理论物理。善于用历史的观改学理论物理。善于用历史的观改学理论物理。善于用历史的观点，用类比方法分析问题。点，用类比方法分析问题。点，用类比方法分析问题。点，用类比方法分析问题。19241924年，他在博士论文年，他在博士论文年，他在博士论文年，他在博士论文关关关关于量子理论的研究于量子理论的研究于量子理论的研究于量子理论的研究中大胆地把中大胆地把中大胆地把中大胆地把光的波粒二象性推广到实物粒子，光的波粒二象性推广到实物粒子，光的波粒二象性推广到实物粒子，光的波粒二象性推广到实物粒子，如电子，质子等。于是他提出如电子，质子等。于是他提出如电子，质子等。于是他提出如电子，质子等。于是他提出实实实实物粒子也具有波动性物粒子也具有波动性物粒子也具有波动性物粒子也具有波动性。这种与实。这种与实。这种与实。这种与实物粒子相联系的波称为物粒子相联系的波称为物粒子相联系的波称为物粒子相联系的波称为德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意波波波波.1929 1929年，年，年，年，德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意获得诺贝获得诺贝获得诺贝获得诺贝尔物理学奖，尔物理学奖，尔物理学奖，尔物理学奖，德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意，波动力，波动力，波动力，波动力学创始人，量子力学创始人，量子力学创始人，量子力学创始人，量子力学奠基人之一。学奠基人之一。学奠基人之一。学奠基人之一。二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性 一个质量为一个质量为 m 的实物粒子以速率的实物粒子以速率 v 运动时运动时,即具有以能量即具有以能量和动量和动量 p 所描述的粒子性，同时所描述的粒子性，同时也具有以频率也具有以频率 v 和波长和波长所描述的波动性。所描述的波动性。与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为物质波物质波或或德布罗意波德布罗意波.爱因斯坦爱因斯坦 德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意波长德布罗意波长（de Broglie wavelength）二二.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性一切实物粒子都有波动性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，并原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。都满足德布罗意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？例例1：质量质量 m=0.01kg，速度，速度 v=300 m/s 的子的子弹的德布洛意波长为弹的德布洛意波长为 结果表明，结果表明，宏观物体宏观物体(如子弹如子弹)的波动性根的波动性根本测不出来本测不出来。所以，宏观物体只表现出。所以，宏观物体只表现出粒子性粒子性。例例2：电电子动能子动能Ek=100eV，质量质量m=9.1 10-31Kg,求德布罗意波长。求德布罗意波长。解：解：电电子动能较小，速度较小，子动能较小，速度较小，用非相对论公用非相对论公式求解：式求解：=1.23=1.23 可见，可见，微观粒子的波动性较显著，微观粒子的波动性较显著，如电子如电子运动时，运动时，相当于相当于X射线射线波段波段。由于由于德布罗意博士论德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委文独创性，得到了答辩委员会的高度评价，但是人员会的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证人质问：有什么可以验证这一新的观念？这一新的观念？如果你是德布罗意，如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？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0.1nm0.1nm屏屏屏屏 P P多晶多晶多晶多晶薄膜薄膜薄膜薄膜高压高压高压高压栅极栅极栅极栅极阴极阴极阴极阴极1.电子衍射实验电子衍射实验 1927年，年，戴维孙戴维孙和和汤姆孙汤姆孙进行了电子衍进行了电子衍射实验。射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象片后，也象X射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。电子衍射图样电子衍射图样电子衍射图样电子衍射图样X X X X射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射电子衍射电子衍射电子衍射电子衍射 1927年，年，G.P.汤姆孙汤姆孙令一电子束通过薄铝令一电子束通过薄铝箔，结果发现，同箔，结果发现，同X射线一样，也能得到清晰射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。的电子衍射图样。电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验多晶多晶多晶多晶 铝铝铝铝 箔箔箔箔 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象G.P.G.P.G.P.G.P.汤姆孙（汤姆孙（汤姆孙（汤姆孙（1927192719271927）约恩孙（约恩孙（约恩孙（约恩孙（1960196019601960）单缝衍射单缝衍射单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射双缝衍射双缝衍射三缝衍射三缝衍射三缝衍射三缝衍射四缝衍射四缝衍射四缝衍射四缝衍射氧化锌晶体对电子的衍射氧化锌晶体对电子的衍射钨晶体薄片对钨晶体薄片对钨晶体薄片对钨晶体薄片对电子的衍射电子的衍射电子的衍射电子的衍射电子在氧化镁晶体半电子在氧化镁晶体半电子在氧化镁晶体半电子在氧化镁晶体半平面的直边衍射平面的直边衍射平面的直边衍射平面的直边衍射晶体的电子衍射晶体的电子衍射晶体的电子衍射晶体的电子衍射NaClNaCl晶体的中子衍射晶体的中子衍射晶体的中子衍射晶体的中子衍射 微观粒子具有波粒二象性的理论得到了公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。体表面散射所产生的衍射实验都获得了成功。2.2.电子双缝实验电子双缝实验 1961 1961年琼森（年琼森（年琼森（年琼森（Claus JnssonClaus Jnsson）将一束电子加速到）将一束电子加速到）将一束电子加速到）将一束电子加速到50Kev50Kev，让其通过一缝宽为，让其通过一缝宽为，让其通过一缝宽为，让其通过一缝宽为a=0.5a=0.5 1010-6-6mm，间隔为，间隔为，间隔为，间隔为d=2.0d=2.0 1010-6-6mm的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果似于双缝衍射实验结果似于双缝衍射实验结果似于双缝衍射实验结果.大量电子一次性的行为大量电子一次性的行为电子显微镜电子显微镜电子在两个电子在两个电极间加速，由电极间加速，由于电压越高，电于电压越高，电子最终获得的动子最终获得的动量越大，它的波量越大，它的波长越短，分辨能长越短，分辨能力就越强。力就越强。电子显微镜下的灰尘电子显微镜下的灰尘结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！23