高中物理 第十七章 波粒二象性 嶄新的一頁 粒子的波動性課件 新人教版選修3-5.ppt

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17.3 嶄新的一頁： 粒子的波動性,教學目標,1、知識與技能： 了解光的波粒二象性；了解粒子的波動性． 2、過程與方法： 培養(yǎng)學生的觀察、分析能力。 3、情感態(tài)度與價值觀： 培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度，正確地獲取知識的方法。 【重點難點】 1、重點：粒子波動性的理解 2、難點：對德布羅意波的實驗驗證,1923年，德布羅意最早想到了這個問題，并且大膽地設想，人們對于光子的波粒二象性會不會也適用于實物粒子。,1.物質波的引入,光具有粒子性，又具有波動性。,光子能量和動量為,上面兩式左邊是描寫粒子性的 E、P；右邊是描寫波動性的 ?、?。 h 將光的粒子性與波動性聯系起來。,一切實物粒子都有具有波粒二象性。?,2、德布羅意的物質波,德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960),,德布羅意原來學習歷史，后來改學理論物理學。他善于用歷史的觀點，用對比的方法分析問題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動性統一起來。1924年，在博士論文《關于量子理論的研究》中提出德布羅意波,同時提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思想的重大意義，譽之為“揭開一幅大幕的一角”。,法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)始人，量子力學的奠基人之一。,能量為E、動量為p的粒子與頻率為v、波長為?的波相聯系，并遵從以下關系：,這種和實物粒子相聯系的波稱為德布羅意波(物質波或概率波),其波長?稱為德布羅意波長。,一切實物粒子都有波動性 后來，大量實驗都證實了：質子、中子和原子、分子等實物微觀粒子都具有波動性，并都滿足德布洛意關系。 一顆子彈、一個足球有沒有波動性呢？ 質量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長為 計算結果表明，子彈的波長小到實驗難以測量的程度。所以，宏觀物體只表現出粒子性。,由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運動著的物體上去，得出物質波（德布羅意波）的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它對應，該波的波長λ= 。,【例1】試估算一個中學生在跑百米時的德布羅意波的波長。,解：估計一個中學生的質量m≈50kg ，百米跑時速度v≈7m/s ，則,由計算結果看出，宏觀物體的物質波波長非常小，所以很難表現出其波動性。,【例2】(1)電子動能Ek=100 eV；(2)子彈動量p=6.63×106 kg.m.s-1, 求德布羅意波長。,解 (1)因電子動能較小，速度較小，可用非相對論公式求解。,=1.23?,(2)子彈:,h= 6.63×10-34,= 1.0×10-40m,可見，只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動性根本測不出來。,一個質量為m的實物粒子以速率v 運動時，即具有以能量E和動量P所描述的粒子性，同時也具有以頻率n和波長l所描述的波動性。,德布羅意關系,X 射線照在晶體上可以產生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。,1927年 C.J.戴維森與 G.P.革末作電子衍射實驗，驗證電子具有波動性。,1. 電子衍射實驗1,戴維遜和革末的實驗是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強度分布可用德布羅意關系和衍射理論給以解釋，從而驗證了物質波的存在。,戴維遜－革末實驗,1927年 G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子） 也獨立完成了電子衍射實驗。與 C.J.戴維森共獲 1937 年諾貝爾物理學獎。,2. 電子衍射實驗2,電子束在穿過細晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產生衍射現象。,此后，人們相繼證實了原子、分子、中子等都具有波動性。,,3.量子圍欄(Quantum Corral)中的駐波,1993年克羅米(M·F·Corrie)等人用掃描電子顯微鏡技術,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,并觀測量到了圍欄內的同心圓柱狀駐波,直接證實了物質波的存在.,,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,注意:物質波被廣泛用作探索手段.例核反應產生的中子(?=0.1nm)可作為晶體探測器.,中子衍射顯示的苯結構,L.V.德布羅意 ：電子波動性的理論研究,1929諾貝爾物理學獎,1937諾貝爾物理學獎,C.J.戴維孫 ： 通過實驗發(fā)現晶體對電子的衍射作用,物質波的一個最重要的應用就是電子顯微鏡的發(fā)明．第一臺電子顯微鏡是由德國魯斯卡（E·Ruska）研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎． 從波動光學可知，由于顯微鏡的分辨本領與波長成反比，光學顯微鏡的最大分辨距離大于0.2 μm，最大放大倍數也只有1000倍左右． 自從發(fā)現電子有波動性后，電子束德布羅意波長比光波波長短得多，而且極方便改變電子波的波長，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡．,三、物質波的應用,,電子顯微鏡,電子顯微鏡下的薰衣草葉子,電子顯微鏡下的納米纖維,電子顯微鏡下的紅細胞,電子顯微鏡下的二分裂,小結：,一、德布羅意的物質波,二、德布羅意波的實驗驗證,3.量子圍欄(Quantum Corral)中的駐波,1. 電子衍射實驗1,2. 電子衍射實驗2,戴維遜－革末實驗,G.P.湯姆遜（電子衍射實驗。,三、物質波的應用,電子顯微鏡,