高中物理第四章波粒二象性第3節(jié)光的波粒二象性省公開課一等獎新名師獲獎課件

第三節(jié)光波粒二象性1/49自主學習1．光是一個電磁波，含有波動性，含有干涉和衍射等波所特有性質．2．光子說：光不但在發(fā)射和吸收時是一份一份，而且光本身就是由一個個不可分割能量子組成，光子能量ε＝hν.3．康普頓效應(1)光散射：光子在介質中和物體微粒相互作用，使光傳輸方向發(fā)生偏轉，這種現(xiàn)象叫光散射．(2)康普頓效應：X射線經(jīng)物質散射后波長變長現(xiàn)象．2/494．光波粒二象性(1)光既含有波動性，又含有粒子性，即光含有波粒二象性．(2)光波動性證實：光能發(fā)生干涉、衍射和色散等波特有現(xiàn)象．(3)光粒子性證實：光在與其它物質相互作用時，能量和動量是以一份一份形式進行交換．光電效應現(xiàn)象和康普頓效應證實光含有粒子性．5．光子能量ε＝hν，動量p＝h/λ，兩式左側ε和p描述光粒子性，右側ν和λ描述光波動性，兩式把粒子性和波動性緊密地聯(lián)絡了起來．6．光是一個概率波在雙縫干涉試驗中，屏上亮紋地方，是光子抵達概率大地方，暗紋地方是光子抵達概率小地方．所以光波是一個概率波，即光波在某處強度代表著光子在該處出現(xiàn)概率大小.3/49問題：什么是康普頓效應？說明了什么？4/491.光散射光在介質中與物質微粒相互作用,因而傳輸方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做光散射2.康普頓效應

1923年康普頓在做X射線經(jīng)過物質散射試驗時，發(fā)覺散射線中除有與入射線波長相同射線外，還有比入射線波長更長射線，其波長改變量與散射角相關，而與入射線波長和散射物質都無關。5/49一.康普頓散射試驗裝置與規(guī)律：晶體光闌X射線管探測器X射線譜儀石墨體(散射物質)j

0散射波長

6/49康普頓正在測晶體對X射線散射

按經(jīng)典電磁理論：

假如入射X光是某種波長電磁波，散射光波長是不會改變！7/49康普頓散射曲線特點：1.除原波長

0外出現(xiàn)了移向長波方向新散射波長

。2.新波長

隨散射角增大而增大。散射中出現(xiàn)

≠

0現(xiàn)象，稱為康普頓散射。波長偏移為=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波長.......

0

8/49稱為電子Compton波長只有當入射波長

0與

c可比擬時，康普頓效應才顯著，所以要用X射線才能觀察到康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。波長偏移只與散射角

相關，而與散射物質種類及入射X射線波長

0無關，

c=0.0241?=2.4110-3nm（試驗值）9/49碰到困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應時2.無法解釋波長改變和散射角關系。射光頻率應等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射散過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，1.依據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當電磁波通10/49光子理論對康普頓效應解釋康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質量，依據(jù)碰撞理論，碰撞前后光光子將與整個原子交換能量,因為光子質量遠2.若光子和束縛很緊內層電子相碰撞，是散射光波長大于入射光波長。部分能量傳給電子,散射光子能量降低，于1.若光子和外層電子相碰撞，光子有一結果，詳細解釋以下：11/493.因為碰撞中交換能量和碰撞角度相關，所以波長改變和散射角相關。光子理論對康普頓效應解釋12/49三.康普頓散射試驗意義（1）有力地支持了愛因斯坦“光量子”假設；（2）首次在試驗上證實了“光子含有動量”

假設；（3）證實了在微觀世界單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律依然是成立?？灯疹D成功也不是一帆風順，在他早期幾篇論文中，一直認為散射光頻率改變是因為“混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只考慮能量守恒，以后才認識到還要用動量守恒。康普頓于1927年獲諾貝爾物理獎。13/49康普頓效應康普頓效應康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎(1892-1962)美國物理學家192714/491925—1926年，吳有訓用銀X射線(

0=5.62nm)為入射線,以15種輕重不一樣元素為散射物質，四、吳有訓對研究康普頓效應貢獻1923年,參加了發(fā)覺康普頓效應研究工作.對證實康普頓效應作出了主要貢獻。在同一散射角()測量各種波長散射光強度，作了大量X射線散射試驗。（1897-1977）吳有訓15/49例、康普頓效應證實了光子不但含有能量，也有動量.圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子運動方向，則碰撞后光子可能沿方向________運動，而且波長______(填“不變”“變短”或“變長”).16/49解析

因光子與電子碰撞過程動量守恒，所以碰撞后光子和電子總動量方向與光子碰撞前動量方向一致，可見碰撞后光子運動方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；經(jīng)過碰撞，光子將一部分能量轉移給電子，光子能量降低，由ε＝hν知，頻率變小，再依據(jù)c＝λν知，波長變長.答案

1變長17/49光子能量和動量18/49動量能量是描述粒子,頻率和波長則是用來描述波19/49問題：什么是光波粒二象性？20/49一、德布羅意物質波德布羅意(duedeBroglie,1892-1960)德布羅意原來學習歷史，以后改學理論物理學。他善于用歷史觀點，用對比方法分析問題。1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文《關于量子理論研究》中提出德布羅意波,同時提出用電子在晶體上作衍射試驗想法。愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思想重大意義，譽之為“揭開一幅大幕一角”。法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎取得者，波動力學創(chuàng)始人，量子力學奠基人之一。21/49能量為E、動量為p粒子與頻率為v、波長為

波相聯(lián)絡，并遵從以下關系：E=mc2=hv這種和實物粒子相聯(lián)絡波稱為德布羅意波(物質波或概率波),其波長

稱為德布羅意波長。22/49一切實物粒子都有波動性

以后，大量試驗都證實了：質子、中子和原子、分子等實物微觀粒子都含有波動性，并都滿足德布洛意關系。一顆子彈、一個足球有沒有波動性呢？：質量m=0.01kg，速度v=300m/s子彈德布洛意波長為計算結果表明，子彈波長小到試驗難以測量程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。23/49由光波粒二象性思想推廣到微觀粒子和任何運動著物體上去，得出物質波（德布羅意波）概念：任何一個運動著物體都有一個波與它對應，該波波長λ=?！纠?】試估算一個中學生在跑百米時德布羅意波波長。解：預計一個中學生質量m≈50kg，百米跑時速度v≈7m/s，則由計算結果看出，宏觀物體物質波波長非常小，所以極難表現(xiàn)出其波動性。24/49例題2

(1)電子動能Ek=100eV；(2)子彈動量p=6.63×106kg.m.s-1,求德布羅意波長。解(1)因電子動能較小，速度較小，可用非相對論公式求解。=1.23?(2)子彈:h=6.63×10-34=1.0×10-40m可見，只有微觀粒子波動性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)波動性根本測不出來。25/49一個質量為m實物粒子以速率v運動時，即含有以能量E和動量P所描述粒子性，同時也含有以頻率n和波長l所描述波動性。德布羅意關系如速度v=5.0102m/s飛行子彈，質量為m=10-2Kg，對應德布羅意波長為：如電子m=9.1

10-31Kg，速度v=5.0107m/s,對應德布羅意波長為：太小測不到！X射線波段26/492、戴維遜－革末試驗1927年，Davisson和Germer進行了電子衍射試驗。

（該試驗榮獲1937年Nobel物理學獎）戴維遜--革末試驗電子衍射試驗電子束垂直入射到鎳單晶水平面上，在散射方向上探測到一個強度極大。（可用晶體對X射線衍射方法來分析）27/49L.V.德布羅意電子波動性理論研究1929諾貝爾物理學獎28/49C.J.戴維孫經(jīng)過試驗發(fā)覺晶體對電子衍射作用1937諾貝爾物理學獎29/4930/4931/4932/49X射線經(jīng)晶體衍射圖電子射線經(jīng)晶體衍射圖33/49類似試驗：

1927年，湯姆遜電子衍射試驗1960年，C.Jonson電子雙縫干涉試驗

以后試驗證實原子、分子、中子等微觀粒子也含有波動性。

德布羅意公式成為揭示微觀粒子波－粒二象性統(tǒng)一性基本公式，1929年，DeBroglie因發(fā)覺電子波而榮獲Nobel物理學獎。34/49電子顯微鏡35/4936/49

電子雙縫衍射

1)用足夠強電子束進行雙縫衍射

——

出現(xiàn)了明暗相間衍射條紋，表達電子波動性——衍射條紋掩飾了電子粒子性未能表達電子在空間分布概率性質

——得到結果與光雙縫衍射結果一樣

37/492)用非常弱電子束進行雙縫衍射

——單個電子運動方向是完全不確定__含有概率分布一定條件下，電子運動方向概率含有確定規(guī)律

——開始電子打在屏幕上位置是任意伴隨時間推移，電子含有穩(wěn)定分布出現(xiàn)清楚衍射條紋__和強電子束在短時間形成一樣

38/49

物質波不是經(jīng)典波——經(jīng)典波是介質中質元共同振動形成雙縫衍射中表達為不論電子強度多么弱屏幕上出現(xiàn)是強弱連續(xù)分布衍射條紋——實際上在電子強度弱情形中電子在屏幕上分布是隨機，完全不確定

39/49

微觀粒子不是經(jīng)典粒子——

經(jīng)典粒子雙縫衍射——

子彈能夠看作是經(jīng)典粒子假想用機關槍掃射雙縫A和B，屏幕C搜集子彈數(shù)目40/491)將狹縫B擋住——子彈經(jīng)過A在屏幕C上有一定分布——類似于單縫衍射中央主極大P1——子彈落在中央主極大范圍概率分布41/492)將狹縫A擋住——子彈經(jīng)過狹縫B在屏幕C上有一定分布——類似于單縫衍射中央主極大P2——子彈落在中央主極大范圍概率分布42/493)A和B狹縫同時打開——

子彈是經(jīng)典粒子原來經(jīng)過A狹縫子彈——還是經(jīng)過A原來經(jīng)過B狹縫子彈——還是經(jīng)過B屏幕C上子彈概率分布不因兩個狹縫同時打開每顆子彈會有新選擇！43/49——

電子雙縫衍射——

電子槍發(fā)射出電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目1)將狹縫B擋住——

電子經(jīng)過狹縫A

在屏幕C有一定分布——類似于單縫衍射中央主極大44/492)將狹縫A擋住——電子經(jīng)過狹縫B在屏幕C上有一定分布類似于單縫衍射中央主極大45/493）A和B狹縫同時打開——假如電子是經(jīng)典粒子原來經(jīng)過A狹縫電子——還是經(jīng)過A原來經(jīng)過B狹縫電子——還是經(jīng)過B屏幕上電子概率分布46/49屏幕C——