《高中物理 第四章 波粒二象性 第3節(jié) 光的波粒二象性 教科版選修3-5》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《高中物理 第四章 波粒二象性 第3節(jié) 光的波粒二象性 教科版選修3-5（49頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、第三節(jié)第三節(jié) 光的波粒二象性光的波粒二象性自主學(xué)習(xí)自主學(xué)習(xí)1光是一種電磁波，具有波動(dòng)性，具有光是一種電磁波，具有波動(dòng)性，具有干涉干涉和和衍射衍射等等波所特有的性質(zhì)波所特有的性質(zhì)2光子說(shuō)：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是一份一份的，而光子說(shuō)：光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)是一份一份的，而且光本身就是由一個(gè)個(gè)且光本身就是由一個(gè)個(gè)不可分割的能量子不可分割的能量子組成的，光組成的，光子的能量子的能量h.3康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)(1)光的散射：光子在介質(zhì)中和物體微粒相互作用，使光的散射：光子在介質(zhì)中和物體微粒相互作用，使光的光的傳播方向傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫光的散射發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象叫光的散射(2)康普頓效應(yīng)：康普頓效
2、應(yīng)：X射線(xiàn)經(jīng)物質(zhì)散射后波長(zhǎng)射線(xiàn)經(jīng)物質(zhì)散射后波長(zhǎng)變長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)的現(xiàn)象象4光的波粒二象性光的波粒二象性(1)光既具有光既具有波動(dòng)波動(dòng)性性，又具有，又具有粒子粒子性性，即光具有波粒二象性，即光具有波粒二象性(2)光的波動(dòng)性的證明：光能發(fā)生光的波動(dòng)性的證明：光能發(fā)生干涉干涉、衍射衍射和色散等波特有和色散等波特有的現(xiàn)象的現(xiàn)象(3)光的粒子性的證明：光在與其他物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和光的粒子性的證明：光在與其他物質(zhì)相互作用時(shí)，能量和動(dòng)量是以動(dòng)量是以一份一份一份一份的形式進(jìn)行交換的的形式進(jìn)行交換的光電效應(yīng)光電效應(yīng)現(xiàn)象和現(xiàn)象和康普康普頓頓效應(yīng)證明光具有粒子性效應(yīng)證明光具有粒子性5光子的能量光子的能量h，動(dòng)量，動(dòng)量
3、ph/ ，兩式左側(cè)的，兩式左側(cè)的和和p描述描述光的光的粒子粒子性性，右側(cè)的，右側(cè)的和和描述光的描述光的波動(dòng)波動(dòng)性性，兩式把粒子性和，兩式把粒子性和波動(dòng)性緊密地聯(lián)系了起來(lái)波動(dòng)性緊密地聯(lián)系了起來(lái)6光是一種概率波光是一種概率波在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，屏上亮紋的地方，是光子到達(dá)概率在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，屏上亮紋的地方，是光子到達(dá)概率大大的的地方，暗紋的地方是光子到達(dá)概率地方，暗紋的地方是光子到達(dá)概率小小的地方所以光波是一的地方所以光波是一種種概率概率波，即光波在某處的強(qiáng)度代表著光子在該處出現(xiàn)波，即光波在某處的強(qiáng)度代表著光子在該處出現(xiàn)概率概率的大小的大小.問(wèn)題：什么是康普頓效應(yīng)？說(shuō)明了問(wèn)題：什么是康普頓效應(yīng)？說(shuō)明
4、了什么？什么？1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳因而傳播方向發(fā)生改變播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線(xiàn)通過(guò)物射線(xiàn)通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線(xiàn)中除有與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的射線(xiàn)外，還有比與入射線(xiàn)波長(zhǎng)相同的射線(xiàn)外，還有比入射線(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)，其波長(zhǎng)的改入射線(xiàn)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線(xiàn)，其波長(zhǎng)的改變量與散射角變量與散射角有關(guān)，而與入射線(xiàn)波長(zhǎng)有關(guān)，而與入射線(xiàn)波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。一一. .康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：
5、康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線(xiàn)管射線(xiàn)管探探測(cè)測(cè)器器X 射線(xiàn)譜儀射線(xiàn)譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長(zhǎng)散射波長(zhǎng) 康普頓正在測(cè)晶體康普頓正在測(cè)晶體對(duì)對(duì)X 射線(xiàn)的散射射線(xiàn)的散射 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某光是某 種波長(zhǎng)的電磁波，種波長(zhǎng)的電磁波， 散射光的波長(zhǎng)是散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！不會(huì)改變的！康普頓散射曲線(xiàn)的特點(diǎn)：康普頓散射曲線(xiàn)的特點(diǎn)： 1.除原波長(zhǎng)除原波長(zhǎng) 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 。 2.新波長(zhǎng)新波長(zhǎng) 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0
6、 的現(xiàn)象，稱(chēng)的現(xiàn)象，稱(chēng)為為康普頓散射。康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移為波長(zhǎng)的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng)波長(zhǎng). . 0 稱(chēng)為電子的稱(chēng)為電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng))cos1 (j j c只有當(dāng)入射波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0與與 c可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，著，因此要用因此要用X射線(xiàn)才能觀(guān)察到射線(xiàn)才能觀(guān)察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可見(jiàn)光觀(guān)察不到康普頓散射。見(jiàn)光觀(guān)察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角波長(zhǎng)的偏移只與散射角j j 有關(guān)，有關(guān)，而與散射物質(zhì)而與散射物質(zhì)種類(lèi)及入射的種類(lèi)及入射的
7、X X射線(xiàn)的波長(zhǎng)射線(xiàn)的波長(zhǎng) 0 0 無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）（實(shí)驗(yàn)值）遇到的困難遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)2. 2. 無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋
8、 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光碰撞前后光光子將與整個(gè)原子交換能量光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 部分能量傳給電子部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于散射光子的能量減少，于1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一若光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下：結(jié)果，具體解釋
9、如下： 3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋三三. .康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1 1）有力地支持了愛(ài)因斯坦）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子光量子”假設(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)；（3 3）證實(shí)了）證實(shí)了在微觀(guān)世界的單個(gè)碰撞事件中，在微觀(guān)世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他
10、早期的康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？紤]能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。康普頓于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家美國(guó)物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線(xiàn)射線(xiàn)( 0 =5.62nm) 為入射
11、線(xiàn)為入射線(xiàn), 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測(cè)量測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量了大量 X 射線(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)。射線(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)例例、康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動(dòng)量康普頓效應(yīng)證實(shí)了光子不僅具有能量，也有動(dòng)量.圖給出了光子與靜止電子碰
12、撞后，電子的運(yùn)動(dòng)方向，圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運(yùn)動(dòng)方向，則碰撞后光子可能沿方向則碰撞后光子可能沿方向_運(yùn)動(dòng)，并且波長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)，并且波長(zhǎng)_(填填“不變不變”“”“變短變短”或或“變長(zhǎng)變長(zhǎng)”).解析解析因光子與電子的碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒，所以碰撞因光子與電子的碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒，所以碰撞后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰撞前動(dòng)量的方后光子和電子的總動(dòng)量的方向與光子碰撞前動(dòng)量的方向一致，可見(jiàn)碰撞后光子運(yùn)動(dòng)的方向可能沿向一致，可見(jiàn)碰撞后光子運(yùn)動(dòng)的方向可能沿1方向，不方向，不可能沿可能沿2或或3方向；通過(guò)碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移方向；通過(guò)碰撞，光子將一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，光子的能量減少，由給電子，光
13、子的能量減少，由h知，頻率變小，再知，頻率變小，再根據(jù)根據(jù)c知，波長(zhǎng)變長(zhǎng)知，波長(zhǎng)變長(zhǎng).答案答案1變長(zhǎng)變長(zhǎng)光子的能量和動(dòng)量光子的能量和動(dòng)量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動(dòng)量能量是描述粒子的動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的問(wèn)題：什么是光的波粒二象性？問(wèn)題：什么是光的波粒二象性？一、德布羅意的物質(zhì)波一、德布羅意的物質(zhì)波德布羅意德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀(guān)點(diǎn)，用理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀(guān)點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題
14、。對(duì)比的方法分析問(wèn)題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士論文年，在博士論文關(guān)于量子理論的研究關(guān)于量子理論的研究中提出德布羅中提出德布羅意波意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。驗(yàn)的想法。 愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)一幅大幕揭開(kāi)一幅大幕的一角的一角”。法國(guó)物理學(xué)家，法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠始人，量子力學(xué)的奠基人之一。
15、基人之一。 能量為能量為E、動(dòng)量為、動(dòng)量為p的粒子與頻率為的粒子與頻率為v、波長(zhǎng)為、波長(zhǎng)為 的的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv hmp 這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱(chēng)為德布羅意波這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱(chēng)為德布羅意波(物物質(zhì)波或概率波質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng)其波長(zhǎng) 稱(chēng)為德布羅意波長(zhǎng)。稱(chēng)為德布羅意波長(zhǎng)。一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性 后來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀(guān)粒子都具有波動(dòng)性，并都滿(mǎn)足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒(méi)有波動(dòng)性呢？： 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長(zhǎng)為 計(jì)算
16、結(jié)果表明，子彈的波長(zhǎng)小到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的程度。所以，宏觀(guān)物體只表現(xiàn)出粒子性。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀(guān)粒子和任何運(yùn)由光的波粒二象性的思想推廣到微觀(guān)粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)該波的波長(zhǎng)= 。 ph/【例【例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)。波的波長(zhǎng)。mmph3634109 . 17501063. 6解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m50kg ，百米跑時(shí)，
17、百米跑時(shí)速度速度v7m/s ，則，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀(guān)物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀(guān)物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。表現(xiàn)出其波動(dòng)性。 例題例題2 (1)電電子動(dòng)能子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量子彈動(dòng)量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布羅意波長(zhǎng)。求德布羅意波長(zhǎng)。 解解 (1)因因電電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。論公式求解。,22122mpmEk 24104 . 52kmEmp61093. 5phmh =1.23(2)子彈子彈:ph h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見(jiàn)，只有微
18、觀(guān)粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀(guān)可見(jiàn)，只有微觀(guān)粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀(guān)粒子粒子(如子彈如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。 一個(gè)質(zhì)量為一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量量E和動(dòng)量和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率 和波長(zhǎng)和波長(zhǎng) 所描述的波動(dòng)性所描述的波動(dòng)性。hEPh德布羅意關(guān)系德布羅意關(guān)系如速度如速度v=5.0 102m/s飛行的子飛行的子彈，質(zhì)量為彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：德布羅意波長(zhǎng)為：nmmvh25103 . 1 如電子如電子m=9.1 10-31Kg，速
19、，速度度v=5.0 107m/s, 對(duì)應(yīng)的德對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：布羅意波長(zhǎng)為：nmmvh2104 . 1 太小測(cè)不到！太小測(cè)不到！X射線(xiàn)射線(xiàn)波段波段2、戴維遜革末實(shí)驗(yàn)、戴維遜革末實(shí)驗(yàn) 1927年，年，Davisson和和Germer 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。 （該實(shí)驗(yàn)榮獲（該實(shí)驗(yàn)榮獲19371937年年Nobel Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)）物理學(xué)獎(jiǎng)）戴維遜戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)革末實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn) 電子束垂直入射電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，到鎳單晶的水平面上，在在 散射方向散射方向上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極大。大。 （可用晶體（可用晶體對(duì)對(duì)X射線(xiàn)的衍射方法射
20、線(xiàn)的衍射方法來(lái)分析）來(lái)分析） 50L.V.L.V.德布羅意德布羅意 電子波動(dòng)性的理論電子波動(dòng)性的理論研究研究1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) C.J.戴維孫戴維孫 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用對(duì)電子的衍射作用1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線(xiàn)經(jīng)晶體的衍射圖射線(xiàn)經(jīng)晶體的衍射圖電子射線(xiàn)經(jīng)晶體的衍射圖電子射線(xiàn)經(jīng)晶體的衍射圖類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)： 19271927年，年，湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn)湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn) 19601960年，年，C.JonsonC.Jonson的的電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀(guān)粒子也后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀(guān)粒
21、子也具有波動(dòng)性。具有波動(dòng)性。 德布羅意公式成為揭示微觀(guān)粒子波粒二象性的統(tǒng)德布羅意公式成為揭示微觀(guān)粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，一性的基本公式，1929年，年，De Broglie因發(fā)現(xiàn)電子波而因發(fā)現(xiàn)電子波而榮獲榮獲Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。電子顯微鏡電子顯微鏡 電子雙縫衍射電子雙縫衍射 1) 用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性 衍射條紋掩飾了電子的粒子性衍射條紋掩飾了電子的粒子性 未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì)未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì) 得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣
22、得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣 2) 用非常弱的電子束進(jìn)行雙縫衍射用非常弱的電子束進(jìn)行雙縫衍射 單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向是完全不確定的單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)方向是完全不確定的_具有概率分布具有概率分布 一定條件下，電子運(yùn)動(dòng)方向的概率具有確定的規(guī)律一定條件下，電子運(yùn)動(dòng)方向的概率具有確定的規(guī)律 開(kāi)始電子打在屏幕上的位置是任意的開(kāi)始電子打在屏幕上的位置是任意的 隨著時(shí)間推移，電子具有穩(wěn)定的分布隨著時(shí)間推移，電子具有穩(wěn)定的分布 出現(xiàn)清晰衍射條紋出現(xiàn)清晰衍射條紋_和強(qiáng)電子束在短時(shí)間形成的一樣和強(qiáng)電子束在短時(shí)間形成的一樣 物質(zhì)波不是經(jīng)典波物質(zhì)波不是經(jīng)典波 經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振
23、動(dòng)的形成的 雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋 實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱的情形中實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的 微觀(guān)粒子不是經(jīng)典粒子微觀(guān)粒子不是經(jīng)典粒子 經(jīng)典粒子雙縫衍射經(jīng)典粒子雙縫衍射 子彈可以看作是經(jīng)典粒子子彈可以看作是經(jīng)典粒子 假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫A和和B，屏幕，屏幕C收集子彈數(shù)目收集子彈數(shù)目1) 將狹縫將狹縫B擋住擋住 子彈通過(guò)子彈通過(guò)A在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類(lèi)似于單
24、縫衍射的中央主極大類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大P1 子彈落在中央主極大范圍的概率分布子彈落在中央主極大范圍的概率分布2) 將狹縫將狹縫A 擋住擋住 子彈通過(guò)狹縫子彈通過(guò)狹縫B在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大P2 子彈落在中央主極大范圍的概率分布子彈落在中央主極大范圍的概率分布12PPP3) A和和B狹縫同時(shí)打開(kāi)狹縫同時(shí)打開(kāi) 子彈是經(jīng)典粒子子彈是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)A狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過(guò)還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)B狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過(guò)還是通過(guò)B屏幕屏幕C上子彈的概率分布上子彈的概率分布不因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開(kāi)不
25、因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開(kāi)每顆子彈會(huì)有新的選擇！每顆子彈會(huì)有新的選擇！ 電子雙縫衍射電子雙縫衍射 電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀(guān)察電子數(shù)目上觀(guān)察電子數(shù)目1) 將狹縫將狹縫B擋住擋住 電子通過(guò)狹縫電子通過(guò)狹縫A 在屏幕在屏幕C有一定分布有一定分布 類(lèi)似于單縫衍射類(lèi)似于單縫衍射 的中央主極大的中央主極大10/172) 將狹縫將狹縫A擋住擋住 電子通過(guò)狹縫電子通過(guò)狹縫B在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大類(lèi)似于單縫衍射的中央主極大3）A和和B狹縫同時(shí)打開(kāi)狹縫同時(shí)打開(kāi) 如果電子是經(jīng)典粒子如果電子是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)A狹縫的電子狹縫的電子 還
26、是通過(guò)還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)B狹縫的電子狹縫的電子 還是通過(guò)還是通過(guò)B屏幕上電子的概率分布屏幕上電子的概率分布12PPP12PPP屏幕屏幕C 實(shí)際觀(guān)察到類(lèi)似光的雙縫衍射條紋實(shí)際觀(guān)察到類(lèi)似光的雙縫衍射條紋屏幕屏幕C上電子的概率分布上電子的概率分布 只開(kāi)一個(gè)狹縫和同時(shí)開(kāi)兩個(gè)狹縫只開(kāi)一個(gè)狹縫和同時(shí)開(kāi)兩個(gè)狹縫 電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性 A和和B狹縫同時(shí)開(kāi)時(shí)狹縫同時(shí)開(kāi)時(shí) 電子似乎電子似乎“知道知道” 兩個(gè)狹縫都打開(kāi)！兩個(gè)狹縫都打開(kāi)！ 雙縫和屏幕之間雙縫和屏幕之間 到底發(fā)生了什么？到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布屏幕上電子的分布 有了新的概率分布有了新的概率分布電子電子 不是經(jīng)典粒子不是經(jīng)典粒子 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I 大大 光子出現(xiàn)概率大光子出現(xiàn)概率大I小小 光子出現(xiàn)概率小光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于統(tǒng)一于概率波概率波理論理論單縫衍射單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比方成正比
高中物理 第四章 波粒二象性 第3節(jié) 光的波粒二象性 教科版選修3-5
