17.3 粒子的波动性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第十七章 波粒二象性,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,17.3,崭新的一页,:,粒子的波动性,德布罗意,(de Broglie,1892-1987),-,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,1621,年荷兰科学家菲涅耳,（,W.,snell, 15801626,）,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。,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。,光学发展史,一、几何光学时期,光是什么,?,二、光的微粒说和波动说,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,。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：,牛顿,(,Newton,),光是一种粒子,!,光是一种波,!,惠更斯,(,Huygens,),微粒说,支持者,波动说,牛顿,（,Newton,）,毕奥（,Biot,）,拉普拉斯（,Laplace,）,泊松（,Poission,）,马吕斯（,Malus,）,胡克（,Hooke,）,惠更斯（,Huygens,）,托马斯,杨（,T.Young,）,夫琅和费,(,Fraunhofer,),菲涅耳（,Fresnel,）,傅科（,Foucault,）,能够解释,/,无法解释,（,刚提出时,）,光的直线传播,光的反射,光的折射,光在折射率大的介质中传播,速率小,光的干涉,光的直线传播,光的反射,光的折射,光在折射率大的介质中,传播速率小,【,该结论于,1862,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）。,赫兹（,Hertz,）,麦克斯韦（,Maxwell,）,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。,三、光的电磁学说,光是一种电磁波。,你的预言是对的！,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。,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。,普朗克（,Planck,）,爱因斯坦（,Einstein,）,康普顿（,Compton,）,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,。,密立根,光电效应实验,光学发展史,1672,牛顿,微粒说,T/,年,惠更斯波动说,1690,麦克斯韦电磁说,1864,1905,爱因斯坦光子说,波动性,粒子性,1801,托马斯,杨,双缝干涉,实验,1814,菲涅耳,衍射实验,赫兹,电磁波实验,1888,赫兹,发现光电效应,1916,1922,康普顿效应,牛顿微粒说占主导地位,波动说,渐成真理,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？,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？,光的本性,粒子性,波动性,（具有能量）,（具有频率）,（具有动量）,h,h,架起了粒子性与波动性之间的桥梁,一,.,光的波粒二象性,（具有波长）,频率低、波长长，波动性较明显,频率高、波长短，粒子性较明显,光具有,波粒二象性,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,.,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,”,。,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。,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,和动量,p,所描述的粒子性，同时也具有以频率,v,和波长,所描述的波动性。,与粒子相联系的波称为,物质波,或,德布罗意波,.,爱因斯坦 ,德布罗意关系式,德布罗意波长,（,de,Broglie,wavelength,）,二,.,粒子的波粒二象性,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？,下面通过两个例子来进行说明。,如：,速度,= 5.0,10,2,m/s,飞行的,子弹,，质量为,m,=10,-2,Kg,，,对应的德布罗意波长为：,如：,电子,m,=9.1,10,-31,Kg,，,速度,= 5.0,10,7,m/s,， 对应的德布罗意波长为：,太小测不到！,X,射线,波段,宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。,例,2,乒乓球的质量为,2.0g,速度为,5m/s,求德布罗意波长 ？,解,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。,由德布罗意公式,例：,静止的电子经电场加速，加速电势差为,U,，速度, c,。,求：,德布罗意波长,。,不考虑相对论效应,解：,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。,可获得电子在不同电压下的波长,与,x,射线的波长相当,二,.,粒子的波粒二象性,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？,三,.,物质波的实验验证,0.1nm,屏,P,多晶薄膜,高压,栅极,阴极,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。,电子衍射图样,X,射线衍射,电子衍射,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。,电子衍射实验,多晶 铝 箔,电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象,G.P.,汤姆孙（,1927,）,约恩孙（,Claus,Jnsson,1960,）,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,氧化锌晶体对电子的衍射,钨晶体薄片对电子的衍射,电子在氧化镁晶体半平面的直边衍射,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。,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,