波粒二象性原理結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型課件高二下學(xué)期物理物理滬科版（2020）選擇性

第十四章微觀粒子的波粒二象性第二、三節(jié)波粒二象性原理結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)模型選修系列金山世外普高綜合大組Kimmy2023年10月2日一、關(guān)于光的本質(zhì)“波動(dòng)”說“微粒”說英國

牛頓1643-1727英國

惠更斯1629-16951678年提出光的波動(dòng)理論，后人菲涅耳對惠更斯的光學(xué)理論作了發(fā)展和補(bǔ)充，創(chuàng)立了“惠更斯--菲涅耳原理”。解釋了光的衍射現(xiàn)象。1666年提出光的微粒說。解釋了光的反射和折射現(xiàn)象。但是無法解釋光的衍射現(xiàn)象。一、關(guān)于光的本質(zhì)“波動(dòng)”說惠更斯波動(dòng)理論的示意圖一、關(guān)于光的本質(zhì)

托馬斯·楊

英國1773—1829屏雙縫S1S2

單色光楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)（側(cè)視圖）1801年進(jìn)行了著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了光的干涉性質(zhì)，證明光以波動(dòng)形式存在，而不是牛頓所想象的光顆粒），該實(shí)驗(yàn)被評為“物理最美實(shí)驗(yàn)”之一。明暗相間等間距的條紋“波動(dòng)”說一、關(guān)于光的本質(zhì)夫瑯禾費(fèi)單縫衍射邊緣衍射圓孔衍射泊松亮斑“波動(dòng)”說一、關(guān)于光的本質(zhì)麥克斯韋英國1831-1879赫茲德國1857-18941864年提出電磁理論（麥克斯韋方程組）。1865年他預(yù)言了電磁波的存在。1888年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。發(fā)現(xiàn)電磁波具有偏振，并且電磁波的速度等于光速。但是他發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，成為了“隱患”?！安▌?dòng)”說美國愛因斯坦1879-1955美國密立根1868-1953解釋提出1905年正式提出光子假說，發(fā)表光電效應(yīng)方程hν?W逸=Ekm

實(shí)驗(yàn)證明一、關(guān)于光的本質(zhì)“微?！闭f一、關(guān)于光的本質(zhì)康普頓美國1892-19621823年康普頓發(fā)現(xiàn)了康普頓效應(yīng)?？灯疹D和吳有訓(xùn)發(fā)現(xiàn)了X射線經(jīng)石墨散射后，有部分光線的頻率發(fā)生了變化。吳有訓(xùn)中國1897-1977按照經(jīng)典理論，頻率僅僅取決于波源，電磁波的反射、折射、干涉和衍射不會改變波長。hν，p，E

θ

α

hν'，p'，E'

動(dòng)量守恒能量守恒光是粒子具有能量也有動(dòng)量pe'，Ee'

“微?！闭f一、關(guān)于光的本質(zhì)(a)單幀(b)200幀疊加(c)1000幀疊加(d)50000幀疊加實(shí)驗(yàn)中，激光光源的強(qiáng)度被調(diào)節(jié)得很弱，以至于每次只有一個(gè)光子通過雙縫裝置。“微?！闭f二、波粒二象性法國德布羅意1892—1987“……在整整幾個(gè)世紀(jì)的長時(shí)間里，當(dāng)談?wù)撽P(guān)于光的理論時(shí)，人們過分地傾向千用波的概念而忽視微粒概念，那么在談?wù)撐镔|(zhì)的理論時(shí)，人們是否叉犯了與此相反的錯(cuò)誤呢？………”碰撞中的動(dòng)量狹義相對論質(zhì)能方程能量子波長和頻率的關(guān)系二、波粒二象性法國德布羅意1892—19871924年他認(rèn)為：“任何物質(zhì)都伴隨有波，而且不可能將物體的運(yùn)動(dòng)與波的傳播分開。”這就是最初的“波粒二象性”思想。就是說，光既有波動(dòng)性，又有粒子性。代表波動(dòng)性的頻率ν

和波長λ

通過普朗克常量h

分別與代表粒子性的能量E

和動(dòng)量p

聯(lián)系起來，普朗克常量h

成為粒子性和波動(dòng)性之間的橋梁。二、波粒二象性法國德布羅意1892—1987既然電磁波具有粒子的屬性，那么根據(jù)對稱性的思想，實(shí)物粒子是否也具有波動(dòng)的屬性呢？他認(rèn)為，一切運(yùn)動(dòng)的微觀粒子的波長和動(dòng)量都滿足德布羅意波長公式，人們將這種波稱為物質(zhì)波。電子電荷量大小為1.60×10?19C，質(zhì)量為9.1×10?31kg。利用實(shí)物粒子波長與動(dòng)量的關(guān)系計(jì)算靜止電子經(jīng)200V電壓加速后的波長。普朗克常數(shù)h=6.626×10?34J·s。二、波粒二象性6V50kVθ0V陰極陽極金屬多晶體熒光屏（a）電子經(jīng)單晶體衍射的圖樣（b）電子經(jīng)多晶體衍射的圖樣（c）G.P.湯姆孫電子衍射裝置示意圖1925年，美國物理學(xué)家戴維孫和他的助手第一次在實(shí)驗(yàn)中觀察到能量為幾十電子伏的電子經(jīng)鎳單晶體衍射的圖樣

（a）。1927年，英國物理學(xué)家G.P.湯姆孫和他的同事利用如圖（c）所示的裝置，通過陰極和陽極之間幾萬伏的高電壓，對燈絲發(fā)熱后發(fā)射出來的電子加速，得到這些電子經(jīng)金屬多晶體衍射的圖樣（b）。二、波粒二象性電子雙縫干涉裝置示意圖電子雙縫干涉圖樣1961年，德國科學(xué)家將托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改造，直接做了電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片。電子的衍射現(xiàn)象無可辯駁地證明了電子具有波動(dòng)性，同時(shí)也表明了物質(zhì)波假說對于微觀粒子的普適性。如今，一切物質(zhì)都具有波粒二象性的觀點(diǎn)成為物理學(xué)界的共識。三、量子力學(xué)的建立奧地利薛定諤1887—19611926年薛定諤建立了物質(zhì)波的波動(dòng)方程，這個(gè)著名的方程就是描述原子中電子運(yùn)動(dòng)的薛定諤方程。薛定諤方程的解稱為波函數(shù)Ψ。玻恩1882—19701927年，德國物理學(xué)家玻恩提出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋。玻恩指出，某一時(shí)刻，空間某一位置波函數(shù)模的二次方|Ψ|2

正比于在該處單位體積內(nèi)找到波函數(shù)所描述的粒子的概率。按玻恩的解釋，物質(zhì)波是一種概率波