（10月合辑）福建省福鼎市第二中学高三物理一轮复习 实物粒子的波粒二象性课件 (2).ppt

21.4 德布罗意假设德布罗意假设德布罗意假设德布罗意假设 电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验光具有粒子性，又具有波动性。光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为：光子能量和动量为：一、德布罗意物质波的假设一、德布罗意物质波的假设2021/8/11 星期三11924年，德布罗意大胆地设想，波粒二象性不是年，德布罗意大胆地设想，波粒二象性不是光所特有的，光所特有的，一切实物粒子也具有波粒二象性一切实物粒子也具有波粒二象性。实物粒子实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子，如原：静止质量不为零的那些微观粒子，如原子、电子、中子等。子、电子、中子等。粒子性：粒子性：主要是指它具有集中的不可分割的特性。主要是指它具有集中的不可分割的特性。波动性：波动性：它能在空间表现出干涉、衍射等波动现象，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。具有一定的波长、频率。实物粒子的波称为实物粒子的波称为德布罗意波德布罗意波或或物质波物质波，物质波，物质波的波长称为的波长称为德布罗意波长德布罗意波长。2021/8/11 星期三2德布罗意波长为：德布罗意波长为：若若考虑相对论效应，考虑相对论效应，则：则：若若 c 时时，不考不考虑虑相相对论对论效效应应，则则：德布罗意公式德布罗意公式质量为质量为m、速率为、速率为 的自由粒子，一方面可用的自由粒子，一方面可用能能量量E和和动量动量P来描述它的来描述它的粒子性粒子性；另一方面可用；另一方面可用频率频率 和和波长波长 来描述它的来描述它的波动性。波动性。它们之间的关系为：它们之间的关系为：2021/8/11 星期三3德布罗意德布罗意(Louis Victor due de Broglie,1892-1960)德布罗意原来学习历史，后德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用对比的方法分历史的观点，用对比的方法分析问题。析问题。法国物理学家，法国物理学家，1929年年诺贝尔物诺贝尔物理学奖获得者，理学奖获得者，波动力学的创始波动力学的创始人，量子力学的人，量子力学的奠基人之一。奠基人之一。1923年年他提出电子既具有他提出电子既具有粒子性又具有波动性。粒子性又具有波动性。1924年年正式发表一切物质都具有波粒正式发表一切物质都具有波粒二象性的论述。并建议用电子二象性的论述。并建议用电子在晶体上做衍射实验来验证。在晶体上做衍射实验来验证。1927年年被实验证实。被实验证实。爱因斯坦觉察到德布罗意爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之物质波思想的重大意义，誉之为为“揭开一幅大幕的一角揭开一幅大幕的一角”。2021/8/11 星期三4如：如：速度速度=5.0 102m/s飞行的飞行的子弹子弹，质量，质量为为m=10-2Kg，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：如：如：电子电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度=5.0 107m/s，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：太小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。2021/8/11 星期三5 例：例：静止的电子经电场加速，加速电势差为静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度，速度 c。求：求：德布罗意波长德布罗意波长。不考虑相对论效应不考虑相对论效应解：解：要观察电子的波性，必须利用晶体进行类似要观察电子的波性，必须利用晶体进行类似于于X射线的衍射实验。射线的衍射实验。2021/8/11 星期三6例：例：试计算动能分别为试计算动能分别为100eV、1keV、1MeV、1GeV的电的电子的德布罗意波长。子的德布罗意波长。电子静能电子静能 E0=m0c2=0.51MeV解：解：由相对论公式：由相对论公式：得：得：代入德布罗意公式代入德布罗意公式 ，有，有:若若 则则:若若 则：则：2021/8/11 星期三7（1）当当EK=100eV时，电子静能时，电子静能 E0=m0c2=0.51MeV，有：，有：（2）当当EK=1keV 时，时，有：有：1、2两个结两个结果，电子的果，电子的波长均与波长均与X射线的波长射线的波长相当。相当。（3）当当EK=1MeV 时，有：时，有：（4）当当EK=1GeV 时，时，有，有:2021/8/11 星期三8戴维孙戴维孙 革末电子衍射实验（革末电子衍射实验（1927年）年）二、二、二、二、电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验检测器检测器电子束电子束散散射射线线电子被镍晶体衍射实验电子被镍晶体衍射实验MK电子枪电子枪 实验发现，电子束实验发现，电子束强度并不随加速电压而强度并不随加速电压而单调变化，而是出现一单调变化，而是出现一系列峰值。系列峰值。2021/8/11 星期三9相相对对强强度度10 205030 4060 70 800q q衍射角衍射角镍晶体镍晶体:电子波的波长电子波的波长理论值为理论值为：j j2 2q q2 2q qD实验结果实验结果:2021/8/11 星期三10电电子子束束与多晶材料的与多晶材料的德拜德拜 x 射线衍射图样对比（波长相同）射线衍射图样对比（波长相同）x射射线线 汤姆逊和戴维逊则因证实电子具汤姆逊和戴维逊则因证实电子具有波动性而分享了有波动性而分享了1937年的诺贝尔物年的诺贝尔物理学奖。理学奖。1929年，德布罗意因提出电子的年，德布罗意因提出电子的波动性获诺贝尔物理学奖。波动性获诺贝尔物理学奖。汤姆逊汤姆逊2021/8/11 星期三11 接着接着约恩逊约恩逊于于1961年年成功地获得了电子束的成功地获得了电子束的单缝衍射、双缝干涉等实验。单缝衍射、双缝干涉等实验。光的杨氏双缝干涉图样光的杨氏双缝干涉图样单缝单缝双缝双缝三缝三缝四缝四缝电子双缝干涉图样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、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。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一切微观粒子都具有波动性2021/8/11 星期三12电子显微镜电子显微镜，就是，就是依据电子的波动性设计依据电子的波动性设计制造的。如今它已成为制造的。如今它已成为探索物质结构，研究、探索物质结构，研究、开发新材料的重要科研开发新材料的重要科研工具。工具。由于电子波长比可见光波长小由于电子波长比可见光波长小10-310-5数量级，数量级，从而从而可大大提高电子显微镜的分辨率。可大大提高电子显微镜的分辨率。1932年年，德国的鲁斯卡德国的鲁斯卡研制成功电子显微镜。研制成功电子显微镜。2021/8/11 星期三13三、三、德布罗意波的统计解释德布罗意波的统计解释 经典经典粒子粒子：不被分割的整体，有确定位置和运不被分割的整体，有确定位置和运动轨道动轨道；经典的经典的波波：某种实际的物理量的空间分某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有叠加性布作周期性的变化，波具有叠加性。二象性：二象性：要求将波和粒子两种对立的属性统要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上一到同一物体上。1926 年年玻恩提出：玻恩提出：德布罗意波是概率波德布罗意波是概率波。统计解释：统计解释：在某处德布罗意波的强度是与粒子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。在该处邻近出现的概率成正比。2021/8/11 星期三141）光的衍射）光的衍射对于光波，对于光波，衍射图样中最亮的地方衍射图样中最亮的地方，从波动的从波动的观点看观点看，该处的光强最大，或者说光振动的振幅平，该处的光强最大，或者说光振动的振幅平方最大；方最大；从粒子的观点看从粒子的观点看，某处光的强度大，表示，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。的概率大。相应地，相应地，衍射花样最暗的地方衍射花样最暗的地方，光强最小，光，光强最小，光子到达该处的概率最小。子到达该处的概率最小。所以，所以，光子在某处出现的概率与该处的光强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：光的单缝衍射和电子的单缝衍射的比较：光的单缝衍射和电子的单缝衍射的比较：光的单缝衍射和电子的单缝衍射的比较：2021/8/11 星期三152）电子衍射）电子衍射从从粒子的观点粒子的观点看，衍射图样的出现，是由于电看，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，电子密集的地方概率大，电子稀疏概率是不同的，电子密集的地方概率大，电子稀疏的地方概率小。的地方概率小。从从波动的观点波动的观点来看，电子密集的地方表示波的来看，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，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。的强度。对电子是如此，对其它粒子也是如此。普遍地说，普遍地说，在某处德布罗意波的强度是与粒子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。在该处出现的概率成正比的。这就是这就是德布罗意波的德布罗意波的统计解释。统计解释。2021/8/11 星期三16德布罗意波与经典波的不同德布罗意波与经典波的不同经典波经典波：某个物理量（如位移、电场强度、磁：某个物理量（如位移、电场强度、磁场强度等）在空间的周期性分布；场强度等）在空间的周期性分布；德布罗意波德布罗意波：是对微观粒子运动的统计描述，：是对微观粒子运动的统计描述，其波动性是指微观粒子在空间出现的概率大小不同其波动性是指微观粒子在空间出现的概率大小不同而呈现的波动性。因此，而呈现的波动性。因此，德布罗意波是几率波德布罗意波是几率波。一个电子在底片上出现在什么地方完全是不确一个电子在底片上出现在什么地方完全是不确定的、随机的，但在各个地方出现的几率是一定的。定的、随机的，但在各个地方出现的几率是一定的。物质波强度大的地方，每个电子在该处出现的几率物质波强度大的地方，每个电子在该处出现的几率大，因此投射到该处的电子数多。大，因此投射到该处的电子数多。在数学上，用一函数表示描写粒子的波，这个函在数学上，用一函数表示描写粒子的波，这个函数叫数叫波函数波函数。波函数在空间中某一点的强度（振幅绝。波函数在空间中某一点的强度（振幅绝对值的平方）和在该点找到粒子的几率成正比。对值的平方）和在该点找到粒子的几率成正比。2021/8/11 星期三17一、引入一、引入经典力学：经典力学：宏观粒子的运动具有决定性的规律，原宏观粒子的运动具有决定性的规律，原则上说可同时用确定的坐标与确定的动量来描述宏则上说可同时用确定的坐标与确定的动量来描述宏观物体的运动。观物体的运动。微观粒子：微观粒子：由于波动性，粒子以一定的概率在空间由于波动性，粒子以一定的概率在空间出现，即粒子在任一时刻不具有确定的位置。出现，即粒子在任一时刻不具有确定的位置。二、电子单缝衍射二、电子单缝衍射 电子通过单缝位电子通过单缝位置的不确定量置的不确定量:21-6 21-6 不确定关系不确定关系不确定关系不确定关系2021/8/11 星期三18电子通过单缝后，电子电子通过单缝后，电子要到达屏上不同的点，要到达屏上不同的点，具有具有 x方向动量方向动量 Px，根据单缝衍射公式，其根据单缝衍射公式，其第一级的衍射角满足：第一级的衍射角满足：动量在动量在 Ox轴上的分量的不确定量为轴上的分量的不确定量为:考虑中央明纹区：考虑中央明纹区：pxpy p2021/8/11 星期三19代入德布罗意关系：代入德布罗意关系：得出：得出：即即考虑到更高级的衍射图样，则应有：考虑到更高级的衍射图样，则应有：上述讨论只是反映不确定关系的实质，并不表上述讨论只是反映不确定关系的实质，并不表示准确的量值关系。示准确的量值关系。1927年德国物理学家海森伯由量子力学得到年德国物理学家海森伯由量子力学得到位置与动量不确定量之间的关系：位置与动量不确定量之间的关系：2021/8/11 星期三20推广到三维空间，则还应有：推广到三维空间，则还应有：由于公式通常只用于数量级的估计，所以它又常由于公式通常只用于数量级的估计，所以它又常简写为：简写为：说明：说明：（1）不确定性关系说明，不确定性关系说明，微观粒子不可能同时微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量越。粒子位置的不确定量越小，动量的不确定量就越大，反之亦然。小，动量的不确定量就越大，反之亦然。（2）不确定关系是由微观粒子的波粒二象性引起不确定关系是由微观粒子的波粒二象性引起的，而不是测量仪器对粒子的干扰，也不是仪器的的，而不是测量仪器对粒子的干扰，也不是仪器的误差所致。误差所致。2021/8/11 星期三21海森伯海森伯因创立用矩阵数学描述微观粒子运动因创立用矩阵数学描述微观粒子运动规律的矩阵力学，规律的矩阵力学，获获1932年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖。不确定关系可用来划分经典力学与量子力学的界不确定关系可用来划分经典力学与量子力学的界限，如果在某一具体问题中，普朗克常数可以看成是限，如果在某一具体问题中，普朗克常数可以看成是一个小到被忽略的量，则不必考虑客体的波粒二象性，一个小到被忽略的量，则不必考虑客体的波粒二象性，可用经典力学处理。可用经典力学处理。2021/8/11 星期三22例：例：一颗质量为一颗质量为10g的子弹，以的子弹，以500m/s的速度飞行，的速度飞行，设速度的不确定量为设速度的不确定量为0.1%，问在确定该子弹的位，问在确定该子弹的位置时，有多大的不确定量？置时，有多大的不确定量？解：解：子弹速度的不确定量为子弹速度的不确定量为:子弹的动量的不确定量为子弹的动量的不确定量为:由不确定关系，可以得到子弹位置的不确定量为由不确定关系，可以得到子弹位置的不确定量为:这个不确定范围很小，仪器测不出，可见这个不确定范围很小，仪器测不出，可见对宏观对宏观物体物体来说，来说，不确定关系不确定关系实际上是实际上是不起作用不起作用的。的。2021/8/11 星期三23例例:氢原子中电子的速度为氢原子中电子的速度为 106m/s，原子的线度，原子的线度约为约为10-10m，求求:原子中电子速度的不确定量。原子中电子速度的不确定量。由不确定性关系由不确定性关系:与与 在数量级上相当，因此原子中电子就不在数量级上相当，因此原子中电子就不能当作经典粒子处理，即不能用位置和动量来描述能当作经典粒子处理，即不能用位置和动量来描述原子中电子的运动原子中电子的运动。解：解：原子中的电子位置的不确定量原子中的电子位置的不确定量:2021/8/11 星期三24