高二物理第十七章 波粒二像性全章課件 人教

1、能量量子化、光電效應(yīng)第一節(jié)19世紀(jì)末頁(yè)，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說(shuō)，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲-等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)開(kāi)展到頭了。 1900年，在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上,著名物理學(xué)家開(kāi)爾文勛爵作了展望新世紀(jì)的發(fā)言: “科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開(kāi)爾文-也就是說(shuō)：物理學(xué)已經(jīng)沒(méi)有什么新東西了，后一輩只要把做過(guò)的實(shí)驗(yàn)再做一

2、做，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面在加幾位罷了！ 但開(kāi)爾文畢盡是一位重視現(xiàn)實(shí)和有眼力的科學(xué)家，就在上面提到的文章中他還講到： “但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，-”這兩朵烏云是指什么呢？一朵與黑體輻射有關(guān)，另一朵與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)有關(guān)。然而, 事隔不到一年(1900年底)，就從第一朵烏云中降生了量子論，緊接著(1905年)從第二朵烏云中降生了相對(duì)論。經(jīng)典物理學(xué)的大廈被徹底動(dòng)搖，物理學(xué)開(kāi)展到了一個(gè)更為遼闊的領(lǐng)域。正可謂“山重水復(fù)疑無(wú)路, 柳暗花明又一村 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。所輻射電磁波的特征與

3、溫度有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變化1400K800K1000K1200K1. 熱輻射現(xiàn)象黑體與 黑體輻射一、 熱輻射及其特點(diǎn)1. 熱輻射由于分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致物體輻射電磁波溫度不同時(shí) 輻射的波長(zhǎng)分布不同 例如：鐵塊 溫度 從看不出發(fā)光到暗紅到橙色到黃白色這種與溫度有關(guān)的輻射 稱為熱輻射熱輻射 - 熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過(guò)程2. 對(duì)熱輻射的初步認(rèn)識(shí)任何物體任何溫度均存在熱輻射溫度 發(fā)射的能量電磁波的短波成分如一個(gè)20瓦的白熾燈和一個(gè)200瓦的白熾燈昏黃色賊亮 刺眼直覺(jué): 低溫物體發(fā)出的是紅外光 熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)光 高溫物體發(fā)出的是紫外光注意： 熱輻射與溫度有關(guān) 激光 日光燈發(fā)光不是熱輻射二、平衡熱

4、輻射 加熱一物體 物體的溫度恒定時(shí)物體所吸收的能量等于在同一時(shí)間內(nèi)輻射的能量這時(shí)得到的輻射稱為平衡熱輻射能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑體2. 黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律 不透明的材料制成帶小孔的的空腔,可近似看作黑體。黑體模型 研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的根底。黑體模型空腔上的小孔煉鋼爐上的小洞向遠(yuǎn)處觀察翻開(kāi)的窗子近似黑體平衡態(tài)時(shí) 黑體輻射只依賴于物體的溫度,與構(gòu)成黑體的材料 形狀無(wú)關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管三棱鏡T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K實(shí)驗(yàn)結(jié)果o實(shí)驗(yàn)值/m維恩線瑞利-金斯線紫外災(zāi)難普朗克線1234

5、5678黑體輻射實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)晴朗天空中 一朵令人不安的烏云。3.能量子假說(shuō)：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量稱為能量子的整數(shù)倍，即：, 1, 2, 3, . n. n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。 對(duì)于頻率為的諧振子最小能量為能量量子經(jīng)典(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克實(shí)驗(yàn)值普朗克的能量子假說(shuō)和黑體輻射公式1.黑體輻射公式1900.10.19 普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上提出一個(gè)黑體輻射公式M.Planck 德國(guó)人 18581947

6、 普朗克后來(lái)又為這種與經(jīng)典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經(jīng)過(guò)十多年的努力證明任何復(fù)歸于經(jīng)典物理的企圖都以失敗而告終之后，他才堅(jiān)決地相信h的引入確實(shí)反映了新理論的本質(zhì)。 1918年他榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 他的墓碑上只刻著他的姓名和 黑體輻射的研究卓有成效地展現(xiàn)人們的眼前，紫外災(zāi)難的疑點(diǎn)找到了，為人類解決了一大難題。使熱愛(ài)科學(xué)的人們又一次倍感欣慰，但真理與謬誤之爭(zhēng)就以平息了嗎？物理難題：1888年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近10年以后，因?yàn)?897年，J.Thomson才發(fā)現(xiàn)電子 ，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金屬外表射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱作光電子

7、(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論光的波動(dòng)性、電磁理論進(jìn)展解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？ 光電效應(yīng) 光子第二節(jié)(2課時(shí))第1課時(shí)問(wèn)題1：回憶前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的開(kāi)展過(guò)程？用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連，使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，那么驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象說(shuō)明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電定義：在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子1.什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬外表時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱

8、為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子。一、光電效應(yīng)陽(yáng)極陰極石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出-光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。2.光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極陰極 將換向開(kāi)關(guān)反接，電場(chǎng)反向，那么光電子離開(kāi)陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。 當(dāng) K、A 間加反向電壓，光電子抑制電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓到達(dá)某一值 Uc 時(shí)，光電流恰為0。 Uc稱遏止電壓。遏止電壓IUcOU光 強(qiáng) 較 弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極IIsUaOU光 強(qiáng) 較 強(qiáng)光 強(qiáng) 較 弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏止電壓飽和電流 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律陽(yáng)極陰極

9、陽(yáng)極陰極石英窗2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律.光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。.截止頻率c -極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率 c 時(shí)，電子才能逸出金屬外表；當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬外表。光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開(kāi)場(chǎng)照射到光電逸出所需時(shí)間10-9s。經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率。 光

10、電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。 為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的根底上提出光子理論，提出了光量子假設(shè)。3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為 的光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。 在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一局部消

11、耗在電子逸出功A，另一局部變?yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 為光電子的最大初動(dòng)能。 3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系 4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率： 愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋： 1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬外表逸出，所以不需時(shí)間的累積。 由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律,榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛成認(rèn)，因

12、為它完全違背了光的波動(dòng)理論。4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證 美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h 的值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子理論的正確。愛(ài)因斯坦由于對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋和對(duì)理論物理學(xué)的奉獻(xiàn)獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于研究根本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。放大器控制機(jī)構(gòu) 可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.光控繼電器可對(duì)微弱光線進(jìn)展放大，可使光電流放大105108 倍，靈敏度高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。2.

13、光電倍增管應(yīng) 用光電管光電源電流計(jì)IAK 康普頓效應(yīng)第2課時(shí)1.光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光的散射2.康普頓效應(yīng) 1923年康普頓在做 X 射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)一樣的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。一.康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體 光闌X 射線管探測(cè)器X 射線譜儀 石墨體(散射物質(zhì))j0散射波長(zhǎng)康普頓正在測(cè)晶體對(duì)X 射線的散射 按經(jīng)典電磁理論： 如果入射X光是某 種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 1.除原波長(zhǎng)0

14、外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 。 2.新波長(zhǎng) 隨散射角的增大而增大。 散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波長(zhǎng).0稱為電子的Compton波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng)0與c可比較時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，因此要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角 有關(guān)，而與散射物質(zhì)種類及入射的X射線的波長(zhǎng)0 無(wú)關(guān)，c = 0.0241=2.4110-3nm實(shí)驗(yàn)值遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)2. 無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它

15、所發(fā)射的散過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2. 假設(shè)光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 局部能量傳給電子,散射光子的能量減少，于1. 假設(shè)光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下： 3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋三.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義1有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子假設(shè)； 2首次在實(shí)驗(yàn)

16、上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量 的假設(shè)；3證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)?？灯疹D效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(0 =5.62nm) 為入射線, 以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的奉獻(xiàn)1923年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了

17、重要奉獻(xiàn)。在同一散射角( )測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。（1897-1977） 吳有訓(xùn)光子的能量和動(dòng)量動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)那么是用來(lái)描述波的第三節(jié)、粒子的波動(dòng)性 德布羅意波 波粒二象性1、德布羅意波（物質(zhì)波） De . Broglie 1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質(zhì)波的概念。 他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略了波的圖象呢” 一、德布羅意的物質(zhì)波德布羅意 (due de Brogli

18、e, 1892-1960) 德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用比照的方法分析問(wèn)題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。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(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)一幅大幕的一角。法國(guó)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。 能量為E、動(dòng)量為p的粒子與頻率為v、波長(zhǎng)為的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv 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(zhǎng)稱為德布羅意波長(zhǎng)。一

19、切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性 后來(lái)，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(méi)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(zhǎng)為 計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，子彈的波長(zhǎng)小到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。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(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)= 。 【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(zhǎng)。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 ，那么由計(jì)算結(jié)果看出，

20、宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。 例題2 (1)電子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布羅意波長(zhǎng)。 解 (1)因電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。=1.23(2)子彈:h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。 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(zhǎng)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(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：如電子m=9

21、.110-31Kg，速度v=5.0107m/s, 對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：太小測(cè)不到！X射線波段2、戴維遜革末實(shí)驗(yàn) 1927年，Davisson和Germer 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。 （該實(shí)驗(yàn)榮獲1937年Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)）戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn) 電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，在 散射方向上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極大。 （可用晶體對(duì)X射線的衍射方法來(lái)分析）L.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)C.J.戴維孫 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖類似的實(shí)驗(yàn)： 1927年，湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn) 1960年，C.Jon

22、son的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 后來(lái)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)。電子顯微鏡第四節(jié)、概率波 電子雙縫衍射 1) 用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)展雙縫衍射 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，表達(dá)電子的波動(dòng)性 衍射條紋掩飾了電子的粒子性 未能表達(dá)電子在空間分布的概率性質(zhì) 得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣 2) 用非常弱的電子束進(jìn)展雙縫衍射 單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向是完全不確定的_具有概率分布 一定條件下，電子運(yùn)動(dòng)方向的概率具有確定的規(guī)律 開(kāi)場(chǎng)電子打在屏幕上的位置是任意的 隨著時(shí)間

23、推移，電子具有穩(wěn)定的分布 出現(xiàn)清晰衍射條紋_和強(qiáng)電子束在短時(shí)間形成的一樣 物質(zhì)波不是經(jīng)典波 經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的 雙縫衍射中表達(dá)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋 實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的 微觀粒子不是經(jīng)典粒子 經(jīng)典粒子雙縫衍射 子彈可以看作是經(jīng)典粒子 假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫A和B，屏幕C收集子彈數(shù)目1) 將狹縫B擋住 子彈通過(guò)A在屏幕C上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大P1 子彈落在中央主極大范圍的概率分布2) 將狹縫A 擋住 子彈通過(guò)狹縫B在屏幕C上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大P2 子彈落

24、在中央主極大范圍的概率分布3) A和B狹縫同時(shí)翻開(kāi) 子彈是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)A狹縫的子彈 還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)B狹縫的子彈 還是通過(guò)B屏幕C上子彈的概率分布不因兩個(gè)狹縫同時(shí)翻開(kāi)每顆子彈會(huì)有新的選擇！ 電子雙縫衍射 電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目1) 將狹縫B擋住 電子通過(guò)狹縫A 在屏幕C有一定分布 類似于單縫衍射 的中央主極大2) 將狹縫A擋住 電子通過(guò)狹縫B在屏幕C上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大3A和B狹縫同時(shí)翻開(kāi) 如果電子是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)A狹縫的電子 還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)B狹縫的電子 還是通過(guò)B屏幕上電子的概率分布屏幕C 實(shí)際觀察到類似光的雙縫衍射條紋屏幕C上電

25、子的概率分布 只開(kāi)一個(gè)狹縫和同時(shí)開(kāi)兩個(gè)狹縫 電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性 A和B狹縫同時(shí)開(kāi)時(shí) 電子似乎“知道 兩個(gè)狹縫都翻開(kāi)！ 雙縫和屏幕之間 到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布 有了新的概率分布電子 不是經(jīng)典粒子 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I 大 光子出現(xiàn)概率大I小 光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于概率波理論單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比第五節(jié)、不確定關(guān)系 玻恩(M. Born. 1882-1970)德國(guó)物理 學(xué)家。1926年提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。玻 恩M. Born.二、德布羅意波的統(tǒng)

26、計(jì)解釋 1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 二.經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波(物質(zhì)波)的區(qū)別 經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。 而德布羅意波(物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。不確定度關(guān)系uncertainty relatoin) 經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。 微觀粒子：位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。一、電子衍射中的不確定度 一束電子以速度 v 沿 o

27、y 軸射向狹縫。 電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。y 在經(jīng)典力學(xué)中，粒子質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來(lái)描述，而且這兩個(gè)量都 可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來(lái)說(shuō)，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來(lái)描述呢？下面我們以電子通過(guò)單縫衍射為例來(lái)進(jìn)展討論。設(shè)有一束電子沿 軸射向屏AB上縫寬為 的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如以下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo) 和動(dòng)量 來(lái)描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢?也就是說(shuō)，電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo) 為多少?顯然，這一問(wèn)題，我們無(wú)法準(zhǔn)確地答復(fù)，因?yàn)榇藭r(shí)該電子終究

28、在縫上哪一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。對(duì)于第一衍射極小， 式中 為 電子的德布羅意波長(zhǎng)。 電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不確定量為y 電子的位置和動(dòng)量分別用 和 來(lái)表示。 同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量 Px變化越大。y分析計(jì)算可得:許多一樣粒子在一樣條件下實(shí)驗(yàn),粒子在同一時(shí)刻并不處在同一位置。用單個(gè)粒子重復(fù),粒子也不在同一位置出現(xiàn)。 不確定性關(guān)系(19011976)德國(guó)物理學(xué)家,量子力學(xué)矩陣形式的創(chuàng)建人, 1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式（約化普朗克常量） 能量與時(shí)間

29、的不確定關(guān)系： 原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命 相應(yīng)地所處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。稱為激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度。 我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微缺乏道的?？梢?jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能準(zhǔn)確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義。 例1.一顆質(zhì)量為10g 的子彈，具有200ms-1的速率，假設(shè)其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這在宏觀范圍是十分準(zhǔn)確的了)，那么該子彈位置的不確定量范圍為多大?解: 子彈的動(dòng)量動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍我們知道原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電子那么更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍

30、比原子的大小還要大幾億倍，可見(jiàn)企圖準(zhǔn)確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒(méi)有實(shí)際意義。 例2. 一電子具有200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這已經(jīng)足夠準(zhǔn)確了)，那么該電子的位置不確定范圍有多大?解: 電子的動(dòng)量為動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍 宏觀物體 微觀粒子具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 沒(méi)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量可用牛頓力學(xué)描述。 需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 出各個(gè)粒子的軌跡。體系能量可以為任意的、連 能量量子化 。續(xù)變化的數(shù)值。不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系微觀粒子和宏觀物體的特

31、性比照不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)1. 物理意義： 微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子位置的不確定量 x越小，動(dòng)量的不確定量Px就越大，反之亦然。2. 微觀本質(zhì)： 是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果。 不確定關(guān)系式說(shuō)明： 微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確( x0) ，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確(px) ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確(px0) ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確( x) 。 但這里要注意，不確定關(guān)系 不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)； 也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)； 更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)； 而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。 這是因?yàn)槲⒂^粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量本來(lái)就不同時(shí)

32、具有確定量。 這本質(zhì)上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。 由上討論可知，不確定關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律,不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問(wèn)題。 不確定關(guān)系提供了一個(gè)判據(jù)： 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制可以忽略時(shí)，那么可以用經(jīng)典理論來(lái)研究粒子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制不可以忽略時(shí)，那只能用量子力學(xué)理論來(lái)處理問(wèn)題。為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)?演講完畢，謝謝觀看！9、靜夜四無(wú)鄰，荒居舊業(yè)貧。2022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202210、雨中黃葉樹(shù)，燈下白頭人。2022/10/132022/10/132022/10/1310/13/2022

33、6:20:42 AM11、以我獨(dú)沈久，愧君相見(jiàn)頻。2022/10/132022/10/132022/10/13Oct-2213-Oct-2212、故人江海別，幾度隔山川。2022/10/132022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202213、乍見(jiàn)翻疑夢(mèng)，相悲各問(wèn)年。2022/10/132022/10/132022/10/132022/10/1310/13/202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)，舊國(guó)見(jiàn)青山。13 十月 20222022/10/132022/10/132022/10/1315、比不了得就不比，得不到的就不要。十月 222022/10/132022/

34、10/132022/10/1310/13/202216、行動(dòng)出成果，工作出財(cái)富。2022/10/132022/10/1313 October 202217、做前，能夠環(huán)視四周；做時(shí)，你只能或者最好沿著以腳為起點(diǎn)的射線向前。2022/10/132022/10/132022/10/132022/10/139、沒(méi)有失敗，只有暫時(shí)停頓成功！。2022/10/132022/10/13Thursday, October 13, 202210、很多事情努力了未必有結(jié)果，但是不努力卻什么改變也沒(méi)有。2022/10/132022/10/132022/10/1310/13/2022 6:20:42 AM11、成功就是日復(fù)一日那一點(diǎn)點(diǎn)小小努力的積累。2022/10/132022/10/132022/10/13Oct-2213-Oct-2212、世間成事，不求其絕對(duì)圓滿，留一份