粒子的波动性

实物粒子的波粒二象性、不确定关系光的干涉、衍射、偏振等现象，使我们无可非议地认识到光具有波动性，光电效应、康普顿效应使我们认识光具有粒子性。所以光即具有波动性又具有粒子性。即：光具有波粒二象性。思考1、同样双缝或单缝条件下，红光的条纹间距比紫光大，这说明了什么？思考2、同样金属做光电效应实验，用紫光照射能产生光电效应但红光可能不能产生光电效应，这说明了什么？结论：从频率（波长）上看：频率高（波长短）的光子粒子性强，频率低（波长长）的光子波性强。思考3、光在传播中遇到双缝、单缝、障碍物、偏振动片，表现出什么特征？思考4、光遇到金属，即与金属的电子相互作用，表现出什么特征？结论：当光和其它物质发生相互作用时表现为粒子性，当在传播时表现为波动性。短长曝光时间思考5、观察三幅照片说说感受?结论1、这张照片清晰的显示了光的粒子性．2、光子落在某些条形区域内的可能性较大（干涉加强区），说明光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律进行解释．少量光子产生的效果往往显示出粒子性。大量光子产生的效果往往显示出波性光是一种概率波一、光的波粒二象性：光的波动性和粒子性是光在不同条件下的不同表现：（1）从数量上看：少量光子的运动表现出粒子性；大量光子的运动表现出波动性。（2）从频率上看：频率高的光子粒子性强，频率低的光子波性强。（3）当光和其它物质发生相互作用时表现为粒子性，当在传播时表现为波动性。（4）光子在空间各点出现的可能性（几率）的大小可以用波动规律进行解释，即光是一种概率波。1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为hE上面两式左边是描写粒子性的E、P；右边是描写波动性的、。将光的粒子性与波动性联系起来。hPchm天才的预言：类比假设迁移拓展思想方法自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类比的方法提出物质波的假设.“整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于‘粒子’的图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？”法国物理学家德布罗意（LouisVictordeBroglie1892–1987)实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子。一切实物粒子都有具有波粒二象性。科学假设与推广实物粒子的波粒二象性的意思是：微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。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.德布罗意关系式德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用到实物粒子，动量为P的粒子波长：Phmvhvmhe德布罗意公式1、1924年德国的物理学家德布罗意提出：任何一个运动着的物体，如电子、质子等，都有一种波和它对应，波长λ=h/p，其中P是运动物体的动量，h是普朗克常量，人们把这种波叫做物质波，也叫德布罗意波二、物质波：——德布罗意公式Phmvh例在一束电子中，电子的动能为，求此电子的德布罗意波长？eV200解20k21,vvmEc0k2mEv1-613119sm104.8sm101.9106.12002vnm1067.82nm104.8101.91063.6631340vmhcv此波长的数量级与X射线波长的数量级相当.•物体质量速度得布罗意波长•(克)(厘米/秒)(厘米)•地球6×10273×1063.6×10-61•石头1001006.6×10-31•电子10-276×10710-7X射线照在晶体上可以产生衍射，电子打在晶体上也能观察电子衍射。1927年C.J.戴维森与G.P.革末作电子衍射实验，验证电子具有波动性。三、德布罗意波的实验验证1.电子衍射实验一戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释，从而验证了物质波的存在。KGBD探测器电子束电子枪U镍单晶1927年G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊之子）也独立完成了电子衍射实验。与C.J.戴维森共获1937年诺贝尔物理学奖。CsUKG屏P多晶薄膜高压栅极阴极2.电子衍射实验二电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。粒子观点电子密处，概率大。电子疏处，概率小。波动观点电子密处，波强大。电子疏处，波强小。电子出现的概率反映该处的波强。用德布罗意粒子的波粒二象性来解释电子的衍射现象：在一般情况下，对于电子和其他微观粒子，不能用确定的坐标来描述它们的位置，因此也无法用轨迹描述它们的运动，但是它们在空间各处出现的概率是受波动规律支配的。也就是物质波也是概率波。（a）表示28个电子通过双缝后的干涉图样，可以看到每个电子都是一个点，体现了粒子性，但每个点都落在干涉极大处，体现电子遵守概率波给出的分布——波动性。（b），（c），（d）分别表示103，104和106个电子通过双缝后的衍射图样，随着电子数增加，代表单个电子的亮点逐渐消失，而规则的衍射条纹越加明显。实验表明：1）电子在亮条纹处概率大，暗条纹处概率小。一个电子到达屏时实际上只落在一个点上，但究竟在哪个点上呢？是按概率波给出的概率分布的。2）用大量电子参加双缝实验时，各个电子的落点是按概率波给出的概率分布表现出来的，大量电子到达接收屏后必然是落在概率大的地方电子多（即出现亮条纹），在概率小的地方少（出现暗条纹），因此，用概率波描述电子能很好地将电子的波动性与粒子性结合起来。1、经典力学中，物体初始位置、动量以及粒子所在力场的性质确定后，物体以后的运动位置就可确定。但对微观粒子，因具有波动性，其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性。四、不确定关系物理根源是粒子的波动性实物粒子的不确定性关系与光子的相同2、海森伯不确定关系指出：微观粒子坐标和动量不能同时确定，是指微观粒子的位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。3.能量与时间的不确定性关系：4/hPxx2/xpx或SJh34100545887.124htE或2/tE