选修3-5.3第三节--粒子的波动性

第1页第1页共42页第三节粒子的波动性第2页第2页共42页情景设置光具有粒子性,光子像其它粒子一样,有一定的动量和能量,光的干涉､衍射和偏振现象,又表明:光具有波动性.光究竟是什么?实物粒子的运动与光是否具有类似之处?第3页第3页共42页知识梳理图【知识点】1.光的波粒二象性;2.物质波.第4页第4页共42页1.光学的发展史学说微粒说波动说电磁说光子说波粒二象性代表人物牛顿惠更斯麦克斯韦爱因斯坦公认年代17世纪17世纪19世纪中期20世纪初20世纪初第5页第5页共42页2.光的波粒二象性光既有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性(1)光的波动性与粒子性的统一①大量光子产生的效果显示其波动性,比如干涉､衍射现象中,如果用强光照射,在光屏上立刻出现了干涉､衍射条纹､波动性体现了出来;个别光子产生的效果显示出粒子性.如果用微弱的光照射时间延长的情况下,在感光底片上的光点分布又会出现一定的规律性,倾向于干涉､衍射的分布规律.这些实验,为人们认识光的波粒二象性提供了很好的依据.第6页第6页共42页②光子的能量ε=hν,动量能量ε和动量p是描述物质的粒子性的重要物理量,波长λ和频率ν是描述物质波动性的共性物理量.两式左侧的物理量ε和p描述光的粒子性,右侧的物理量ν和λ描述光的波动性.它们通过普朗克常量h联系在一起,h架起了粒子性和波动性之间的桥梁.③对不同频率的光,频率低､波长长的光,波动性特征显著;而频率高､波长短的光,粒子性特征显著.④光在传播过程中往往表现出波动性；在与物质发生作用时往往表现为粒子性。,hp第7页第7页共42页二､粒子的波动性1.物质波波德布罗意(duedeBroglie,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。1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文《关于量子理论的研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。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”。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。第8页第8页共42页1924年,德布罗意推想:自然界在许多方面是对称的,“波粒共存的观念可以推广到所有粒子”.既然光具有波粒二象性,则实物粒子或许也有这种二象性,在这样的推想下,德布罗意提出假设;实物粒子和光一样,也具有波粒二象性.如果用能量ε和动量p来表示实物粒子的粒子性.用频率ν和波长λ来表征实物粒子的波动性,那么,对光适用的关系式也适用于实物粒子,即:,hhp第9页第9页共42页德布罗意的思维逻辑德布罗意1892-1987hE2mcEhmc20202mvhhmcvcv•实物粒子也具有波动性•利用类比的想法，提出物质波概念•与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，或叫物质波。•预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。•电子有质量02vcv根据相对论：hp第10页第10页共42页后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？质量m=0.01kg，速度v=300m/s的子弹的德布洛意波长为计算结果表明，子弹的波长小到实验难以测量的程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。第11页第11页共42页一个质量为m的实物粒子以速率v运动时，即具有以能量E和动量P所描述的粒子性，同时也具有以频率n和波长l所描述的波动性。hEPh＝德布罗意关系如速度v=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：nmmvh25103.1如电子m=9.110-31Kg，速度v=5.0107m/s,对应的德布罗意波长为：nmmvh2104.1太小测不到！X射线波段第12页第12页共42页这种与实物粒子相联系的波,后来被称为德布罗意波,也叫物质波.3.对德布罗意物质波的理解(1)任何物体,小到电子,质子,大到行星,太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故.（一切实物粒子都有波动性）(2)德布罗意是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受到波动规律的支配,不要以宏观观点中的波（机械波）来理解德布罗意波.第13页第13页共42页(3)德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子和实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波.第14页第14页共42页2.物质波的实验验证干涉和衍射是波动物质的特有表现,如果实物粒子具有波动性的话,在一定条件下,也该发生干涉和衍射现象.实物粒子运动时其波长很小,根本无法观察到它的波动性.1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束的衍射实验.得到了类似右图的衍射图样,从而证明了电子的波动性.第15页第15页共42页2、戴维逊－革末实验1927年，Davisson和Germer进行了电子衍射实验。（该实验荣获1937年Nobel物理学奖）戴维逊--革末实验电子衍射实验电子束垂直入射到镍单晶的水平面上，在散射方向上探测到一个强度极大。（可用晶体对X射线的衍射方法来分析）50第16页第16页共42页1937诺贝尔物理学奖1927年，美国贝尔实验室的戴维森（ClintonJosephDavisson，1881～1958）、革未（LesterHalbertGermer，1896～1971）通过实验发现晶体对电子的衍射1927年英国的汤姆逊（GeorgePagetThomson，1892～1975）通过电子在多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似第17页第17页共42页电子衍射X光衍射第18页第18页共42页第19页第19页共42页1927年戴维孙—革末通过电子在晶体表面的散射实验得到了与X射线衍射相似的电子衍射1927年英国的汤姆逊通过电子在金的多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似第20页第20页共42页电子衍射花样第21页第21页共42页电子显微镜在电子显微镜下放大30000倍的细菌图像第22页第22页共42页电子显微镜下的头发分叉照片电子显微镜下的血液中红细胞的照片第23页第23页共42页用电子显微镜放大115倍之后的室内灰尘造成伊波拉出血热的丝状病毒样貌第24页第24页共42页人类对于光的认识历程物质波德布罗意能量量子化普朗克德布罗意：粒子和波这两种观点应该以某种方式统一第25页第25页共42页父子诺贝尔奖——汤姆逊G.P.汤姆逊1892-1975C.J.戴维逊和G.P.汤姆逊利用晶体做了电子束衍射实验为此获得了1937年诺贝尔物理学奖。J.J.汤姆逊1856-19401906年,汤姆逊由于发现电子和对气体放电理论和实验做出了重大贡献获得诺贝尔物理学奖。第26页第26页共42页3.从微观的角度理解光的波动性和粒子性光既表现出波动性又表现出粒子性,很难用宏观世界的观念来认识,必须从微观的角度建立起光的行为图景,认识光的波粒二象性,需要明确的是:爱因斯坦光子说中的“粒子”和牛顿微粒说中的“微粒”是两个完全不同的概念;同样,麦克斯韦电磁说中的“波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念,其本质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别.第27页第27页共42页典例分析一､对光的波粒二象性的理解例1:下列有关光的波粒二象性的说法中,正确的是()A.有的光是波､有的光是粒子B.光和电子是同样的一种粒子C.光的波长越长,其波动性越显著;波长越短,其粒子性越显著D.大量光子的行为往往显示出粒子性第28页第28页共42页解析:一切光都具有波粒二象性,光的有些行为(如干涉､衍射)表现出波动性,光的有些行为表现出粒子性(如光电效应),所以,不能说有的光是波,有的光是粒子.虽然光子和电子都是微观粒子,都具有波粒二象性,但电子是实物粒子,有静止的质量;光子不是实物粒子,没有静止的质量,电子是以实物粒子存在的物质,而光子是以场的形式存在的物质,所以不能说光子和电子是同样的一种粒子,大量光子的行为往往表现出波动性,第29页第29页共42页个别光子往往显示出其粒子性,光的波长越长,波动性越显著.光的波长越短,其频率越高,其光子的能量越大,个别或少数光子作用就足以引起光接收装置的反应,所以其粒子性就很显著,故选项C正确.答案:C第30页第30页共42页巩固练习1:关于光的本性,下列说法中正确的是()A.关于光的本性,牛顿提出微粒说,惠更斯提出波动说,爱因斯坦提出光子说,它们都说明了光的本性B.光具有波粒二象性是指:既可以把光看成宏观概念上的波,也可以看成微观概念上的粒子C.光的干涉､衍射现象说明光具有波动性,光电效应说明光具有粒子性D.光的波粒二象性是将牛顿的微粒说和惠更斯的波动说真正有机统一起来的第31页第31页共42页解析:光具有波粒二象性是现代物理学说关于光的本性的认识,光的波粒二象性不同于牛顿的微粒说和惠更斯的波动说,是爱因斯坦的光子说和麦克斯韦的电磁说的统一.光的干涉､衍射现象说明光具有波动性,光电效应说明光具有粒子性,故A､B､D选项错误,C选项正确.答案:C第32页第32页共42页二､德布罗意波的理解和计算例2:下列说法中正确的是()A.物质波属于机械波B.只有像电子､质子､中子这样的微观粒子才具有波动性C.德布罗意认为,任何一个运动的物体,小到电子､质子,大到行星､太阳都具有一种波和它对应,这种波称为物质波.D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体运动时不具有波动性第33页第33页共42页解析:物质波是一切运动着的物体所具有的波,与机械波性质不同,宏观物体也具有波动性,只是干涉､衍射现象不明显,看不出来,故只有C选项正确.答案:C第34页第34页共42页巩固练习2:如果一个中子和一个质量为10g的子弹都以103m/s的速度运动,则它们德布罗意波的波长分别是多少?(中子的质量为1.67×10-27kg)10n35342733433:m4.010m.m6.6310m.6.63101.6710106.6310101010hphphp子解析根据可得中子的物质波的波长子弹的物质波的波长答案:(1)4.0×10-10m6.63×10-35m第35页第35页共42页1.对光的行为,下列说法正确的是()A.个别光子的行为表现为粒子性,大量光子的行为表现为波动性B.光的波动性是光的一种特性,不是光子之间的相互作用引起的C.光表现出波动性时,就不具有粒子性了,光表现出粒子性时,就不具有波动性了D.光的波粒二象性应理解为:在某种场合下光的波动性显著,在另外某种场合下,光的粒子性显著答案:ABD第36页第36页共42页2.下列说法中正确的是()A.质量大的物体,其德布罗意波长小B.质量小的物体,其德布罗意波长小C.动量大的物体,其德布罗意波长小D.速度大的物体,其德布罗意波长小答案:C第37页第37页共42页3.下列关于实物粒子的说法中正确的是()A.向前飞行的子弹不具有波动性B.射击运动员很难命中靶子,是因为子弹具有波动性C.飞行的子弹既具有粒子性又具有波动性D.飞行的子弹具有波动性,但波长很长表现不出来答案:C第38页第38页共42页4.人类对光的本性的认识经历了曲折的过程,下列关于光的本性的陈述符合科学规律或历史事实的是()A.牛顿的“微粒说”与爱因斯坦的“光子说”本质上是一样的B.光的双缝干涉实验显示了光具有波动性C.麦克斯韦预言光是一种电磁波D.光具有波粒二象性答案:BCD第39页第39页共42页能力提升5.以下说法正确的是()A.物体都具有波动性B.抖动绳子一端,绳上的波就是物质波C.通常情况下,质子比电子的波长长D.核外电子绕原子核运动时,并没有确定的轨道第40页第40页共42页解析:任何物体都具有