实物粒子的波粒二象性
【课件】实物粒子的波粒二象性
mv
X射线波段
戴维孙-革末实验 汤姆孙电子衍射实验
电子衍射
X光衍射
1929诺贝尔物理学奖
• L.V.德布罗意 • 电子波动性的理论研究
1937诺贝尔物理学奖
• C.J.戴维孙 • 通过实验发现晶体对
电子的衍射作用
【例1】 下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是( ) A．任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波 B．X光的衍射证实了物质波的假设是正确的 CC．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏 观物体不具有波动性
他认为，“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法 来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那末在实物的理论 中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多， 而过分忽略了波的图象呢”
能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为
的波相联系，并遵从以下关系：
E mc2 h
成．
4．“基本粒子”的探测：加速器和探测器是研究粒子物理的主 要工具，探测器分两大类：一类是计数器 ，一类
是 径迹探测器．
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。
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。
带电荷量如下表所示，表中 e 为元电荷.
π＋ π－ u
d
u
d
带电荷量 ＋e －e ＋23e －13e －23e ＋13e
下列说法正确的是 AA ．π＋由 u 和 d 组成 C．π－由 u 和 d 组成
B．π＋由 d 和 u 组成 DD ．π－由 d 和 u 组成
实物粒子的波粒二象性 课件(16张)
谢谢大家．．．．．
解析 运动的物体才具有波动性，A项错；宏观物体由于 动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍 射现象，但仍具有波动性，D项错；X光是波长极短的电 磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B项 错；只有C项正确．
【例2】 如果一个中子和一个质量为10 g的子弹都以103 m/s 的速度运动，则它们的德布罗意波的波长分别是多大？ (中子的质量为1.67×10－27 kg，普朗克常量为6.63×10－34
J·s) 答案 4.0×10－10 m 6.63×10－35 m 解析 中子的动量为p1＝m1v 子弹的动量为p2＝m2v 据 λ＝hp知中子和子弹的德布罗意波长分别为
λ1＝ph1，λ2＝ph2
联立以上各式解得 λ1＝mh1v，λ2＝mh2v
将 m1＝1.67×10－27 kg，v＝103 m/s h＝6.63×10－34 J·s， m2＝1.0×10－2kg 代入上面两式可解得
4．德布罗意波是一种概率波，粒子在空间 波．
【例1】 下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是( ) A．任何一个物体都有一种波和它对应，这就是物质波 B．X光的衍射证实了物质波的假设是正确的 C．电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以 宏观物体不具有波动性 答案 C
对光学的研究
17世纪明确形成 了两大对立学说
从很早就开始 了… …
牛顿 微粒说
由于波动说没有 数学基础以及牛 顿的威望使得微 粒说一直占上风
19世纪初证明了 波动说的正确性
惠更斯
19世纪末光电效应现象使得 爱因斯坦在20世纪初提出了 光子说：光具有粒子性
实物粒子的波粒二象性德布罗意波
即加速电压满足此式时，电 子流强度I 有极大值，由此计 算所得加速电势差U的各个量 值和实验相符，因而证实了德 布罗意的假设的正确性。
戴维逊发现电子 在晶体中的衍射现 象,荣获1937年诺贝 尔物理学奖.
C.J.Davison
太原理工大学物理系
2. G. P.汤姆孙电子衍射实验 ( 1927年 )
太原理工大学物理系
05年ZP39,9 （库）
例8 静止质量不为零的微观粒子作高速运动，则
粒子物质波的波长与速度v有如下关系：
(A)
பைடு நூலகம்
(B)
(C)
(D)
解：
(C) [思考] 若作低速运动，则 与v的关系？
太原理工大学物理系
二、实物粒子波动性的验证
P220倒数第2段
实物粒子的波动性，当时是作为一个假设提出来的， 直到1927年戴维孙和革末用电子衍射实验证实了德布 罗意假设。
h h h
P mv 2mEk
m m0 1 v2 /
1 mv2 p2
2
2m
P220，表下面起
c
2
b)电子由静止经电压U加速，当电子速度不太大时，
1 mv2 eU 2
h h h h 1.22 nm
P mv 2mEk 2meU U
太原理工大学物理系
（题库）
例1 设电子在电场中由静止加速,经过电压U加速
h
2
1.0545881034 J s
德布罗意因这一开创性工作获1929年诺贝尔物理学奖。
太原理工大学物理系
说明：1）与实物粒子相联系的波，称为德布罗意波
（物质波）；其波长称为德布罗意波长。 P219，17.2a下第2行
2) 德布罗意波长
实物粒子的波粒二象性
实物粒子波粒二象性的介绍今年十月份，在西安召开的物理创新大会上，有幸结识了熊承坤先生。
熊老先生给我看了一张照片，照片上是气泡在水中上升的轨迹，是一个非常漂亮的波浪线。
这充分说明了实物粒子具有波动性。
回来后我购置了实验器材，亲自做了这方面的实验，发现实验效果非常直观、明显。
下面我简要把气泡的运动特点介绍一下：1）气泡从针孔中刚冒出时，要经历一小段直线加速过程，当速度达到一定值时开始做规则的波动。
这时速度趋于恒定。
2）气泡越大，波长越短；气泡越小，波长越长。
当气泡过于小时，它在水中上升的速度一直很小，形成不了波动，在水中直线上升。
3）气泡形成波动时，虽然波长不同，但对应的速度几乎相等。
4）一个气泡的波动轨迹并不在同一平面内，是螺旋上升的；俯视，其为椭圆。
这是实物粒子具有波粒二象性最直观、明显的例子。
为什么在空气中运动的子弹、小球等不会有明显的波动性呢？为什么在水中运动的气泡会有的波动性呢？这恰恰说明实物粒子之所以具有波动性，是当它们运动时，受其周围介 质作用的结果。
在空气中运动的子弹、小球等之所以不会有明显的波动性，是因为空气 的密度较小，而子弹、小球的质量较大，空气对子弹、小球的作用很难体现。
在水中运动的气泡之所以有明显的波动性，是因为水的密度较大，而气泡的质量较小，水对运动的气泡的作用使气泡产生了明显的波动。
为什么在真空中高速运动的电子、中子等会具有的波动性呢？这恰恰说明真空不是空的，真空中有某种物质存在。
这种物质对运动的电子、中子作用使它们产生波动。
在此，我们应把波动分类：1）像我们常见的在绳子上传播的绳波，在水中传播的水波等，这些波传播的是振动，媒质并没随波动传播。
例如，绳子也好、水也好它们本身并没有随波动传播出去。
2）另一类就完全不同，像水中运动的气泡，像高速运动的电子、中子等，它们是实实在在的粒子在运动，由于与介质的作用，使它们的运动呈现出波动性。
了解了波动的不同分类，我们就容易认清光的本质了。
实物粒子的波粒二象性(40张ppt)
率 和 E、p的关系与光子一样：
E h
p h
E h h
德布罗意关系式
p
与粒子相联系glie wavelength）
教材 例题
论文获得了评委会的高度评价。 朗之万把德布洛意的文章寄给爱因斯坦， 爱因斯坦称赞说： “揭开了自然界巨大帷幕的一角” “瞧瞧吧，看来疯狂，可真是站得住脚呢”
物质波振幅的平方与粒子在该处邻近出现的概率成 正比。 电子出现的概率反映该处的波强。
粒子观点 波动观点 波强 电子密处，概率大。 电子疏处，概率小。 电子密处，波强大。 电子疏处，波强小。 粒子密度 振幅A2
概率
机械波是机械振动在空间传播，德布罗意波是对微 观粒子运动的统计。
四、氢原子中的电子云
实物粒子的波动性
光(波)具有粒子性 实物粒子具有波动性吗? 一、德布罗意物质波假设 L.V. de Broglie从自然界的对称性出发， 认为： 既然光(波)具有粒子性 那么实物粒子也应具有波动性。
1924.11.29德布洛意把题为“量子理论的研究” 的博士论文提交巴黎大学。
二、德布罗意波的波长 他在论文中指出：一个能量为E、动量为 p
分析： 质量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/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。
1929诺贝尔物理学奖
• L.V.德布罗意 • 电子波动性的理论研究
1937诺贝尔物理学奖 • C.J.戴维孙 • 通过实验发现晶体对电 子的衍射作用
2.一个一个电子依次入射双缝的衍射实验：
7个电子
100个电子
实物粒子的波粒二象性
实物粒子的波粒二象性一直以来，物理学家们都被实物粒子的波粒二象性所困扰和吸引。
这个问题看起来简单，实际上却存在着许多复杂的现象和解释。
实物粒子的波粒二象性是什么？实物粒子的波粒二象性指的是，实物粒子既可以像粒子一样以确定的形态存在，也可以像波动一样具有波动性质。
比如，实物粒子可以像球一样被握在手中，也可以像波一样传播。
实物粒子的波粒二象性是现代物理学科中最重要的概念之一。
它在解释经典物理学中无法解释或理解的现象时起了至关重要的作用。
实物粒子的波粒二象性的发现历程实物粒子的波粒二象性并非一蹴而就的，而是在几十年中逐渐被发现和解释的。
•1801年，托马斯·杨的双缝实验：杨发现，光在通过一道狭缝后，能够产生干涉和衍射现象。
这进一步表明光具有波动特性。
•1905年，爱因斯坦的光电效应：爱因斯坦认为光是由一系列粒子组成的，这些粒子被称为光量子或光子。
他发现，当一束光照射到金属上时，光量子的能量可以被金属中的电子吸收，从而导致电子从金属表面脱落。
•1913年，卢瑟福的散射实验：阿尔法粒子经过金箔散射实验，在原子内部必有大量的空隙，并且原子的电荷集中在原子核周围一个非常小的区域内。
•1924年，德布鲁意波的提出：法国物理学家德布鲁意假设在能量较低的情况下，运动质量很小的粒子（如电子或中子）会被视为一种波动。
这种波动可用于解释杨的干涉和衍射实验。
•1926年，薛定谔的波动力学：薛定谔发展了基于波动理论的新物理学，称为波动力学。
这种理论被广泛应用于解释实物粒子的波粒二象性。
实物粒子的波粒二象性的解释在波动理论和粒子理论之间，物理学家很难忽视实物粒子存在的波动和粒子两种性质。
比较自然的解释是，实物粒子既可以像脉冲一样被视为粒子存在，同时也可以像波动一样具有波动特性。
由于实物粒子既有粒子特性也有波动特性，因此物理学家建立了量子力学，它刻画了实物粒子的波粒二象性。
在量子力学中，实物粒子可以被描述为在空间中分布的波函数。
大学物理(15.5.2)--德布罗意波实物粒子的波粒二象性
第十五单元 量子物理第十五单元 量子物理Quantum PhysicsQuantum Physics第五讲 德布罗意波实物粒子的波粒二象性1923年, 提出电子既具有粒子性又具有波动性, 1924年在他的博士论文《关于量子理论的研究》中提出把粒子性和波动性统一起来。
为量子力学的建立提供了物理基础。
他的论述被爱因斯坦誉为 “揭开了巨大面罩的一角”。
德布罗意为此获得1929年诺贝尔物理学奖。
一、背景1、Planck-Einstein光量子理论量子理论是首先在黑体辐射问题上突破的，Planck提出了能量子的概念；Einstein利用能量子假设提出了光量子的概念，从而解决了光电效应的问题；光量子概念在Compton散射实验中得到了直接的验证。
2、Bohr的量子论Bohr把Planck-Einstein的量子概念创造性的用来解决原子结构和原子光谱的问题，成功地解释了氢原子光谱。
“同我(Louis Victor de Broglie)哥哥进行的这些长期讨论……对我非常有益，这些讨论使我深深考虑将波的观点和粒子的观点必须综合在一起的必要性。
”光的本性：（1905年，爱因斯坦）光同时具有波动性和粒子性，波粒二象性的联系：νεh =λh p = 波长、频率是描写波动性的物理量，而动量、能量是描写粒子性的物理量。
光的波动性和粒子性是通过普朗克常数联系在一起的。
●很早认识到光的波动性；●直到1905年认识到光的粒子性。
光： 物理学家十分看重自然界的和谐和对称，运用对称性思想研究性问题，发现新规律以至于在科学上取得突破性成就，在物理学史上屡见不鲜。
问题： 实物粒子：●实物粒子是否也有波动性？●很早认识到实物粒子的粒子性；（经典物理）“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’的图像想得太多，而过分地忽略了波的图像呢？”“我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我1923我我我—我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我”这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波或物质波(matter wave ) ， 1924年 ，青年博士研究生德布罗意 ，在Planck-Einstein 光量子论和Bohr 原子论的启发下，仔细分析了光的微粒说与波动说的发展历史，根据类比的方法，德布罗意假设：不仅光具有波粒二象性，一切实物粒子(电子、原子、分子等)也都具有波粒二象性; 具有确定动量 P 和确定能量 E 的实物粒子相当于频率为ν和波长为λ的波，满足：hνmc E ==2λh m p ==v P Eλνh爱因斯坦的支持 :德布罗意的物质波开始并没有受到物理学界的重视，他的导师朗之万将论文寄给了爱因斯坦。
实物粒子的波粒二象性
二、德布罗意假设 、德布罗意波 1、德布罗意假设
德布罗意觉得自然界在很多方面是对称的，但整 个世纪以来，人们对光的研究是否过多地注意到 了它们的波动性；而对实物粒子（静止 质量不为 零的微观粒子及由它们组成的实物）的研究，又 是否把粒子的图象想得过多而忽略了它们的波的 图象呢！1922年他的这种思想进一步升华，经再 三思考，1924年，De Broglie在他的博士论文“量 子论研究”中，大胆地提出了如下假设： 不仅辐射具有二象性，而且一切实物粒子 也具有二象性。
粒子性 二者通过h来联系
h
波动性
a、在
2
时，考虑相对论
2
E mc m0c 2 h h h 1 v / c
h h p mv
1 v / c
h m0
2
v
b、在
时
m0 c h
2
h h P m0 v
注意：对实物粒子，v是指粒子的速度（群速） 故不存在v=的关系。 3、电子的德布罗意波长 加速电势差为 U，则
波动性--它能在空间表现出干涉、衍射等波动现 象，具有一定的波长、频率。 粒子性--是指它具有集中的不可分割的性质。一
E
颗光子就是集中的不可分割的一颗，它具有能 量（ ）、动量与质量。
X
波动
u
Z
Y
H 如此截然不同的图象却集中于一体， ---世界真奇妙 很难想象！
光子
光的波粒二象性引起了法国Lous De Broglie的思考
xPx / 2
2、能量与时间不确定关系 设有一个速度为v，质量为m的粒子，其能量
考虑到E的增量：
即： Et 2
能量与时间不确定关系式