实物粒子的波粒二象性.ppt

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1、21.4德布罗意假设电子衍射实验光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为：一、德布罗意物质波的假设11924年，德布罗意大胆地设想，波粒二象性不是光所特有的，一切实物粒子也具有波粒二象性。实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子，如原子、电子、中子等。粒子性：主要是指它具有集中的不可分割的特性。波动性：它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象，具有一定的波长、频率。实物粒子的波称为德布罗意波或物质波，物质波的波长称为德布罗意波长。2德布罗意波长为：若考虑相对论效应，则：若υ<

2、、速率为υ的自由粒子，一方面可用能量E和动量P来描述它的粒子性；另一方面可用频率ν和波长λ来描述它的波动性。它们之间的关系为：3德布罗意(LouisVictorduedeBroglie,1892-1960)德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分析问题。法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1923年他提出电子既具有粒子性又具有波动性。1924年正式发表一切物质都具有波粒二象性的论述。并建议用电子在晶体上做衍射实验来验证。1927年被实验证

3、实。爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。4如：速度υ=5.0102m/s飞行的子弹，质量为m=10-2Kg，对应的德布罗意波长为：如：电子m=9.110-31Kg，速度υ=5.0107m/s，对应的德布罗意波长为：太小测不到！X射线波段宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。5例：静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度υ<

4、V、1GeV的电子的德布罗意波长。电子静能E0=m0c2=0.51MeV解：由相对论公式：得：代入德布罗意公式，有:若则:若则：7（1）当EK=100eV时，电子静能E0=m0c2=0.51MeV，有：（2）当EK=1keV时，有：1、2两个结果，电子的波长均与X射线的波长相当。（3）当EK=1MeV时，有：（4）当EK=1GeV时，，有:8戴维孙—革末电子衍射实验（1927年）二、电子衍射实验检测器电子束散射线电子被镍晶体衍射实验MK电子枪实验发现，电子束强度并不随加速电压而单调变化，而是出现一系列峰值。9相对强度102

5、05030406070800衍射角镍晶体:电子波的波长理论值为：D实验结果:10电子束与多晶材料的德拜x射线衍射图样对比（波长相同）x射线汤姆逊和戴维逊则因证实电子具有波动性而分享了1937年的诺贝尔物理学奖。1929年，德布罗意因提出电子的波动性获诺贝尔物理学奖。汤姆逊11接着约恩逊于1961年成功地获得了电子束的单缝衍射、双缝干涉等实验。光的杨氏双缝干涉图样单缝双缝三缝四缝电子双缝干涉图样大量实验证实除电子外，中子、质子以及原子、分子等都具有波动性，且符合德布罗意公式。——一切微观粒子都具有波动性12电子显微镜，就是依

6、据电子的波动性设计制造的。如今它已成为探索物质结构，研究、开发新材料的重要科研工具。由于电子波长比可见光波长小10-310-5数量级，从而可大大提高电子显微镜的分辨率。1932年，德国的鲁斯卡研制成功电子显微镜。13三、德布罗意波的统计解释经典粒子：不被分割的整体，有确定位置和运动轨道；经典的波：某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有叠加性。二象性：要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上。1926年玻恩提出：德布罗意波是概率波。统计解释：在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近出现的概率成正比。141）光

7、的衍射对于光波，衍射图样中最亮的地方，从波动的观点看，该处的光强最大，或者说光振动的振幅平方最大；从粒子的观点看，某处光的强度大，表示单位时间内到达该处的光子数多，即光子到达该处的概率大。相应地，衍射花样最暗的地方，光强最小，光子到达该处的概率最小。所以，光子在某处出现的概率与该处的光强（光振动的振幅平方）成正比的。光的单缝衍射和电子的单缝衍射的比较：152）电子衍射从粒子的观点看，衍射图样的出现，是由于电子不均匀地射向照相底片各处形成的，有些地方电子密集，有些地方电子稀疏，表示电子射到各处的概率是不同的，电子密集的地方概

8、率大，电子稀疏的地方概率小。从波动的观点来看，电子密集的地方表示波的强度大，电子稀疏的地方表示波的强度小，所以，电子在某处出现的概率，就反映了该处德布罗意波的强度。对电子是如此，对其它粒子也是如此。普遍地说，在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处出现的概率成正比的。这就是德布罗意波的统计解释。16德布罗意