高中物理 第十七章 波粒二象性 嶄新的一頁 粒子的波動(dòng)性課件 新人教選修35

1、2021/8/11 星期三117.3 嶄新的一頁： 粒子的波動(dòng)性2021/8/11 星期三2教學(xué)目標(biāo) 1、知識與技能：了解光的波粒二象性；了解粒子的波動(dòng)性2、過程與方法： 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，正確地獲取知識的方法。【重點(diǎn)難點(diǎn)】1、重點(diǎn)：粒子波動(dòng)性的理解2、難點(diǎn)：對德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2021/8/11 星期三31923年，德布羅意最早想到了這個(gè)問題，并且大膽地設(shè)想，人們對于光子的波粒二象性會(huì)不會(huì)也適用于實(shí)物粒子。一、德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)1.物質(zhì)波的引入光具有粒子性，又具有波動(dòng)性。光子能量和動(dòng)量為 上面兩式左邊是描寫粒子性的 E、P；右邊是描

2、寫波動(dòng)性的 、。 h 將光的粒子性與波動(dòng)性聯(lián)系起來。一切實(shí)物粒子都有具有波粒二象性。?2021/8/11 星期三42、德布羅意的物質(zhì)波德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對比的方法分析問題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文關(guān)于量子理論的研究中提出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開一幅大幕的一角”。 法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。2

3、021/8/11 星期三5 能量為E、動(dòng)量為p的粒子與頻率為v、波長為的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系： 這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波),其波長稱為德布羅意波長。2021/8/11 星期三6一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性 后來，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒有波動(dòng)性呢？質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長為 計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長小到實(shí)驗(yàn)難以測量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。2021/8/11 星期三7由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著

4、的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對應(yīng)，該波的波長= 。 【例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長。解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m50kg ，百米跑時(shí)速度v7m/s ，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。2021/8/11 星期三8【例2】(1)電子動(dòng)能Ek=100 eV；(2)子彈動(dòng)量p=6.63106 kg.m.s-1, 求德布羅意波長。解 (1)因電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對論公式求解。=1.23(2)子彈:h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒

5、子(如子彈)的波動(dòng)性根本測不出來。2021/8/11 星期三9 一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量E和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率n和波長l所描述的波動(dòng)性。德布羅意關(guān)系如速度v=5.0102m/s飛行的子彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對應(yīng)的德布羅意波長為：如電子m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s, 對應(yīng)的德布羅意波長為：太小測不到！X射線波段2021/8/11 星期三10 X 射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。 1927年 C.J.戴維森與 G.P.革末作電子衍射實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電子具有波動(dòng)性。1. 電子衍射實(shí)驗(yàn)1 戴維遜和革末的

6、實(shí)驗(yàn)是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強(qiáng)度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗(yàn)證了物質(zhì)波的存在。探測器電子束電子槍鎳單晶二、德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證戴維遜革末實(shí)驗(yàn)2021/8/11 星期三11 1927年 G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子） 也獨(dú)立完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)。與 C.J.戴維森共獲 1937 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極2. 電子衍射實(shí)驗(yàn)2電子束在穿過細(xì)晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。 此后，人們相繼證實(shí)了原子、分子、中子等都具有波動(dòng)性。2021/8/11 星期三123.量子圍欄(Quantum Corral)中的駐波 1993年克羅

7、米(MFCorrie)等人用掃描電子顯微鏡技術(shù),把銅(111)表面上的鐵原子排列成半徑為7.13nm的圓環(huán)性量子圍欄,并觀測量到了圍欄內(nèi)的同心圓柱狀駐波,直接證實(shí)了物質(zhì)波的存在.+探針注意:物質(zhì)波被廣泛用作探索手段.例核反應(yīng)產(chǎn)生的中子(=0.1nm)可作為晶體探測器.中子衍射顯示的苯結(jié)構(gòu)2021/8/11 星期三13 后來的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性。 德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，1929年，De Broglie因發(fā)現(xiàn)電子波而榮獲Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)。2021/8/11 星期三14L.V.德布羅意 ：電子波動(dòng)性的理論研究1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1

8、937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)C.J.戴維孫 ：通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射作用2021/8/11 星期三152021/8/11 星期三16 物質(zhì)波的一個(gè)最重要的應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明第一臺(tái)電子顯微鏡是由德國魯斯卡（ERuska）研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng) 從波動(dòng)光學(xué)可知，由于顯微鏡的分辨本領(lǐng)與波長成反比，光學(xué)顯微鏡的最大分辨距離大于0.2 m，最大放大倍數(shù)也只有1000倍左右 自從發(fā)現(xiàn)電子有波動(dòng)性后，電子束德布羅意波長比光波波長短得多，而且極方便改變電子波的波長，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡三、物質(zhì)波的應(yīng)用2021/8/11 星期三172021/8/11 星期三18電子顯微鏡2021/8/11 星期三19電子顯微鏡下的薰衣草葉子2021/8/11 星期三20電子顯微鏡下的納米纖維2021/8/11 星期三21電子顯微鏡下的紅細(xì)胞2021/8/11 星期三22電子顯微鏡下的二分裂2021/