人教版高中物理選修3-5第十七章波粒二象性17-3粒子的波動性

物理選修3-5第十七章

波粒二象性第3節(jié)粒子的波動性

有記者曾問英國物理學(xué)家、諾貝爾獲獎?wù)卟祭窠淌冢汗馐遣ㄟ€是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個波，星期二、四、六它是一個粒子，星期天物理學(xué)家休息。”那么光的本性到底是什么？新課引入閱讀課本P37“光的波粒二象性”部分,知道光既具有波動性又具有粒子性。應(yīng)當(dāng)如何理解光的波粒二象性?光學(xué)發(fā)展史T/年波動性粒子性1690惠更斯波動說1672牛頓微粒說1905愛因斯坦光子說1864麥克斯韋電磁說1801托馬斯·楊雙縫干涉實驗1814菲涅耳衍射實驗1888赫茲電磁波實驗赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)1916密立根光電效應(yīng)實驗1922康普頓效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動說漸成真理科學(xué)視野光學(xué)發(fā)展史T/年波動性粒子性1690惠更斯波動說1672牛頓微粒說1905愛因斯坦光子說1864麥克斯韋電磁說1909愛因斯坦提出光具有波粒二象性科學(xué)視野粒子性波動性（具有能量）（具有頻率）（具有動量）hh----架起了粒子性與波動性之間的橋梁一、光的波粒二象性（具有波長）新課講授1、光既具有波動性又具有粒子性,即光具有波粒二象性。2、光子的能量ε=hν,光子的動量

。兩式左側(cè)的物理量ε和p描述光的粒子性,右側(cè)的物理量ν和λ描述光的波動性,普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。一、光的波粒二象性新課講授3、現(xiàn)象與本質(zhì)：光的干涉和衍射現(xiàn)象表明光是一種______，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)表明光同時也是一種______．光的波動性與粒子性是統(tǒng)一的．只有承認(rèn)光的____________性，才是對光的本性最全面的認(rèn)識．波粒子波粒二象閱讀課本P37-38“粒子的波動性”部分,知道實物粒子具有波動性。什么是物質(zhì)波?如何表達?實物粒子有無波動性呢？

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，用對比的方法分析問題。他認(rèn)為，“整個世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光學(xué)上,與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究;而在實物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子方面的圖象想得太多，而忽略了波的現(xiàn)象”他提出假設(shè):實物粒子也具有波動性

德布羅意法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，波動力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。二.粒子的波動性

一個質(zhì)量為m的實物粒子以速率?

運動時，即具有以能量ε和動量p

所描述的粒子性，同時也具有以頻率v

和波長l所描述的波動性。后來，大量實驗都證實了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實物微觀粒子都具有波動性，并都滿足德布羅意關(guān)系。一切實物粒子都具有波動性德布羅意關(guān)系二.粒子的波動性實物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動的特性。

這種和實物粒子相聯(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。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它相對應(yīng)，該波的波長

。二.粒子的波動性試估算一個中學(xué)生在跑百米時的德布羅意波長。解：一個中學(xué)生的質(zhì)量大約為m≈50kg，百米跑時的速度約為?

≈7m/s，由光子的動量表達式有：由計算結(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)出其波動性。想一想子彈:質(zhì)量為m=10-2Kg,速度v=3.0102m/s，對應(yīng)的德布羅意波長為：電子:質(zhì)量為m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s,對應(yīng)的德布羅意波長為：宏觀物體波動性不明顯微觀粒子波動性明顯1、每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系,這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波,也叫作物質(zhì)波。2、物質(zhì)波的波長、頻率關(guān)系式:二.粒子的波動性一切實物粒子都有波動性由于德布羅意博士論文獨創(chuàng)性，得到了答辯委員會的高度評價，但是人們總覺得他的想法過于玄妙，無法接受。于是，有人質(zhì)問：有什么可以驗證這一新的觀念？

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。如果你是德布羅意，將如何驗證自己的觀點？想一想閱讀課本P38“物質(zhì)波的實驗驗證”部分，知道物質(zhì)波的實驗驗證宏觀物體的波長比微觀粒子的波長小得多，這在生活中很難找到能發(fā)生衍射的障礙物，所以我們并不認(rèn)為它有波動性．作為微觀粒子的電子，其德布羅意波波長為10-10m數(shù)量級，找與之相匹配的障礙物也非易事．三.物質(zhì)波的實驗驗證實驗驗證的思路：

光的干涉和衍射現(xiàn)象是光具有波動性的有力證據(jù)。因此，如果電子、質(zhì)子等實物粒子也真具有波動性，那么它們就應(yīng)該像光波那樣也能發(fā)生干涉和衍射。

在倫琴射線的研究中找到突破，證實倫琴射線是電磁波，考慮到電子的德布羅意波長與倫琴射線的波長具有相近的數(shù)量級，1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體進行了電子束衍射實驗，從而證實了電子的波動性．說明電子具有波粒二象性．他們?yōu)榇双@1937年諾貝爾物理學(xué)獎。電子束穿過鋁箔后的衍射圖像

除了電子以外，后來還陸續(xù)證實了質(zhì)子，中子以及原子、分子的波動性。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，DeBroglie因此獲Nobel

物理學(xué)獎，成為以學(xué)位論文獲此殊榮的人。三、物質(zhì)波的實驗驗證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。電子衍射實驗11927年C.J.戴維森與G.P.革末作電子衍射實驗，驗證電子具有波動性。戴維遜和革末的實驗是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗證了物質(zhì)波的存在。探測器電子束電子槍鎳單晶

屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實驗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。1927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨立完成了電子衍射實驗。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。此后，人們相繼證實了原子、分子、中子等都具有波動性。電子衍射圖樣

電子雙縫實驗1961年瓊森（ClausJ?nsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=2.010-6m的雙縫,當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫衍射實驗結(jié)果.大量電子一次性的行為三、物質(zhì)波的實驗驗證1、1927年戴維孫和G.P.湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗,得到了電子的衍射圖樣,證實了電子的波動性。2、除了電子以外，后來還陸續(xù)證實了質(zhì)子，中子以及原子、分子的波動性。德布羅意給出的和關(guān)系同樣正確。三、物質(zhì)波的實驗驗證

物質(zhì)波的一個最重要的應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明．第一臺電子顯微鏡是由德國魯斯卡研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎．從波動光學(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0.2μm，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．物質(zhì)波的應(yīng)用電子顯微鏡電子顯微鏡下的