學(xué)教科版選修35 4.4實(shí)物粒子的波粒二象性 課件（5）（29張）.ppt

實(shí)物粒子的波粒二象性 一 光的波粒二象性 19世紀(jì)后半期 電磁理論成功地解釋了光的干涉 衍射 偏振等現(xiàn)象 建立了光的波動(dòng)圖象 但到了廿世紀(jì)初 人們?yōu)榻忉尮怆娦?yīng) 康普頓效應(yīng) 又不得不將光當(dāng)作微粒來(lái)處理 尤其愛因斯坦提出了光子的概念 建立了的關(guān)系后 更使人認(rèn)識(shí)到光是具有波粒二象性的東西 引言 半經(jīng)典半量子的玻爾理論存在局限 看來(lái)是建立新理論的候了 但新理論是什么呢 波動(dòng)性 它能在空間表現(xiàn)出干涉 衍射等波動(dòng)現(xiàn)象 具有一定的波長(zhǎng) 頻率 光子 波動(dòng) 光的波粒二象性引起了法國(guó)lousdebroglie的思考 世界真奇妙 德布羅意覺(jué)得自然界在很多方面是對(duì)稱的 但整個(gè)世紀(jì)以來(lái) 人們對(duì)光的研究是否過(guò)多地注意到了它們的波動(dòng)性 而對(duì)實(shí)物粒子 靜止質(zhì)量不為零的微觀粒子及由它們組成的實(shí)物 的研究 又是否把粒子的圖象想得過(guò)多而忽略了它們的波的圖象呢 1922年他的這種思想進(jìn)一步升華 經(jīng)再三思考 1924年 debroglie在他的博士論文 量子論研究 中 大膽地提出了如下假設(shè) 不僅輻射具有二象性 而且一切實(shí)物粒子也具有二象性 二 德布羅意假設(shè) 德布羅意波 1 德布羅意假設(shè) 事實(shí)上德布羅意提出以上想法后 也沒(méi)有被大家接受 直到他的導(dǎo)師朗之萬(wàn)將其論文的復(fù)制品交給愛因斯坦 愛因斯坦稱贊他 揭開了大幕的一角 才引起學(xué)術(shù)界的重視 并研究如何從實(shí)驗(yàn)上去驗(yàn)證 從經(jīng)典物理看來(lái) 簡(jiǎn)直是荒謬和不可思議 看來(lái)提出這種想法沒(méi)有一定的氣魄是不行的 德布羅意回憶說(shuō) 我當(dāng)時(shí)只不過(guò)是一種想法 不過(guò)尚沒(méi)有誕生 而且覺(jué)得這種想法不敢講出去 但什么是德布羅意波呢 不到火候不揭鍋 注意 這一假設(shè)建立了對(duì)實(shí)物粒子的一種新的圖象 這種圖象既允許它 表現(xiàn)微粒性 又允許它表現(xiàn)出波動(dòng)性 這種波稱為 物質(zhì)波 或 德布羅波 1 光子的波粒二象性 2 德布羅意波 粒子性 波動(dòng)性 具有能量 具有頻率 具有動(dòng)量 光子的波動(dòng)性二者通過(guò)h來(lái)聯(lián)系 推廣 實(shí)物粒子也具有波粒二象性 2 實(shí)物粒子的波粒二象性 質(zhì)量為m的粒子 以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí) 不但具有粒子的性質(zhì) 也具有波動(dòng)的性質(zhì) 粒子性 波動(dòng)性 二者通過(guò)h來(lái)聯(lián)系 a 在時(shí) 考慮相對(duì)論 b 在時(shí) 3 電子的德布羅意波長(zhǎng) 注意 對(duì)實(shí)物粒子 v是指粒子的速度 群速 故不存在v 的關(guān)系 加速電勢(shì)差為u 則 書中公式 可獲得電子在不同電壓下的波長(zhǎng) 的單位為ev 與x射線的波長(zhǎng)相當(dāng) 三 德布羅意的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1 戴維遜 革末實(shí)驗(yàn)與湯姆遜實(shí)驗(yàn) 1923年clntondavisson發(fā)表了慢電子從鉑片反射的角分布實(shí)驗(yàn)情況 他發(fā)現(xiàn)彈性反射電子束強(qiáng)度在某些角度出現(xiàn)了極大值 玻恩 born 認(rèn)為是一種干涉現(xiàn)象 可能與德布羅意波有關(guān) 這引起了戴維遜和革末 lestergermer 繼續(xù)對(duì)慢電子在鎳單晶表面散射進(jìn)行研究 實(shí)驗(yàn)裝置 m a 0 215nm d 0 0908nm 電流出現(xiàn)了周期性變化 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)解釋 將電子看成波 其波長(zhǎng)為德布羅意波長(zhǎng) 既然是波 電流出現(xiàn)最大值時(shí)正好滿足布喇格公式 即 實(shí)驗(yàn)裝置 顯然將電子看成微粒無(wú)法解釋 m 1927年湯姆遜 g p thomson 以600伏慢電子 0 5 射向鋁箔 也得到了像x射線衍射一樣的衍射 再次發(fā)現(xiàn)了電子的波動(dòng)性 1937年戴維遜與gp湯姆遜共獲當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng) g p thomson為電子發(fā)現(xiàn)人j j thmson的兒子 爾后又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子 中子的衍射 2 電子雙縫實(shí)驗(yàn) 1961年瓊森 clausj nsson 將一束電子加速到50kev 讓其通過(guò)一縫寬為a 0 5 10 6m 間隔為d 2 0 10 6m的雙縫 當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r 發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 大量電子一次性的行為 電子雙縫實(shí)驗(yàn) 一個(gè)電子多次重復(fù)性行為 3 量子圍欄 quantumcorral 中的駐波 1993年克羅米 m f corrie 等人用掃描電子顯微鏡技術(shù) 把銅 111 表面上的鐵原子排列成半徑為7 13nm的圓環(huán)性量子圍欄 并觀測(cè)量到了圍欄內(nèi)的同心圓柱狀駐波 直接證實(shí)了物質(zhì)波的存在 注意 物質(zhì)波被廣泛用作探索手段 例核反應(yīng)產(chǎn)生的中子 0 1nm 可作為晶體探測(cè)器 中子衍射顯示的苯結(jié)構(gòu) 超高真空低能電子衍射掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡中的原子形象 四 不確定關(guān)系 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 1927年 德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出 引言 在進(jìn)一步描述debr glie波前 我們來(lái)考查一下經(jīng)典物理描述問(wèn)題時(shí)受到什么限制 在介紹玻爾理論時(shí) 就曾指出它是一個(gè)半經(jīng)典半量子產(chǎn)物 用到了確定位置和軌道與動(dòng)量的概念 就是說(shuō)總可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段精確地測(cè)定微觀粒子的位置和動(dòng)量 對(duì)具有波粒二象性的微觀粒子 這種概念正確嗎 1 1 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 不確定關(guān)系 坐標(biāo)的測(cè)量誤差 動(dòng)量 速度 的測(cè)量誤差 坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)精確測(cè)量 由微觀粒子的波粒二象性引起 2 由電子衍射實(shí)驗(yàn)推證測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 電子具有波粒二象性 也可產(chǎn)生類似波的單縫衍射的圖樣 若電子波長(zhǎng)為 則讓電子進(jìn)行單縫衍射則應(yīng)滿足 a 位置的不確定程度 用單縫來(lái)確定電子在穿過(guò)單縫時(shí)的位置 電子在單縫的何處通過(guò)是不確定的 只知是在寬為a的的縫中通過(guò) 我們來(lái)研究電子在單縫隙位置的位置和動(dòng)量的不確定程度 b 單縫處電子的動(dòng)量的不確定程度 先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn) 電子衍射是電子自身的波粒二象性的結(jié)果 不能歸于外部的原因 即不是外界作用的結(jié)果 電子大部分都到達(dá)中央明紋處 作為分析 要估算單縫處電子在x軸上的分量的不確定量 可先抓住到達(dá)中央明紋處的電子在單縫處的不確定量來(lái)研究 即正負(fù)一級(jí)暗紋間的電子來(lái)研究 這部分電子在單縫處的動(dòng)量在x軸上的分量值為 為一級(jí)暗紋的衍射角 由單縫一級(jí)暗紋條件 由德布羅意關(guān)系式 考慮到還存在 方向的電子 這些方向電子的動(dòng)量不確定量還要大 動(dòng)量位置不確定量關(guān)系式 量子力學(xué)給出了更準(zhǔn)確的表達(dá) 3 海森伯不確定關(guān)系式 設(shè)有一個(gè)速度為v 質(zhì)量為m的粒子 其能量 考慮到e的增量 能量與時(shí)間不確定關(guān)系式 即 2 能量與時(shí)間不確定關(guān)系 注意 1 式中 e應(yīng)理解為狀態(tài)能量的不確定量 t表示明顯變化所經(jīng)歷的時(shí)間 如激發(fā)態(tài)壽命 2 h具有焦?fàn)柮氲牧烤V 而 x p e t均具有焦?fàn)柮氲牧烤V x p e t均稱為共軛物理量 4 不確定關(guān)系的進(jìn)一步討論 1 不確定關(guān)系意味著兩個(gè)互相制約 互成反比的共軛物理量的不確定量