3、嶄新的一頁粒子的波動(dòng)性

1、3、嶄新的一頁： 粒子的波動(dòng)性教學(xué)目標(biāo)：1、總結(jié)歸納光的本性-波粒二象性2、知道德布羅意的-粒子的波動(dòng)性3、了解物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。教學(xué)重點(diǎn)：知道德布羅意的-粒子的波動(dòng)性，學(xué)習(xí)科學(xué)家們的大膽類比的科學(xué)想象力。光的波粒二象性1、光的認(rèn)識(shí)：從古代微粒說 托馬斯、菲涅爾波動(dòng)說；從光電磁理論 愛因斯坦的光子理論。2、光的本性是？光既具有波動(dòng)性又具有粒子性-波粒二象性EhhP光子能量：光子動(dòng)量：動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來描述波的，但動(dòng)量和能量的表達(dá)中具有描述波的量-頻率和波長(zhǎng)?？梢姡汗獾牧Ｗ有院筒▌?dòng)性不是孤立的，h架起了粒子性和波動(dòng)性之間的橋梁。粒子的波動(dòng)性：1、德布羅意何以想到實(shí)物粒子的波

2、動(dòng)性？ 普朗克能量子、愛因斯坦光子理論的成功；和大膽推廣。2、實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。 每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系，而且粒子的能量、動(dòng)量與其對(duì)應(yīng)的波之間有：EhhP粒 子 能 量 ：粒 子 動(dòng) 量 ： 這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波 -德布羅意波，也叫物質(zhì)波。 類比+想象 物質(zhì)波-沒有科學(xué)特征的狂想曲。 讀罷德布羅意論文后，愛因斯坦卻說：“瞧瞧吧，看似瘋狂，的確也站得住腳！”ph粒子的德布羅意波長(zhǎng)：物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證： 光的波動(dòng)性：光的干涉、衍射。 粒子波動(dòng)性：粒子的干涉、衍射。 物理學(xué)家Davisson,Thomson于1927做了電子衍射實(shí)驗(yàn)，得到了和光類似的衍射圖樣。從而證實(shí)了電子的波

3、動(dòng)性，他們?yōu)榇双@得了1937的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1929年德布羅意獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（以學(xué)術(shù)論文獲此殊榮）。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，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布羅意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒有波動(dòng)性呢？解： 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長(zhǎng)為： = 2.2x10-25nm 宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，其動(dòng)量很大，由 他們對(duì)應(yīng)的德布羅意波的波長(zhǎng)就很小。 一顆質(zhì)量0.01kg的子彈，速度為300m/s。它的德布羅意波長(zhǎng)為2.2x10-25nm，比宏觀尺寸小的多，不可觀到察

4、衍射。 一電子經(jīng)100v電壓加速，德布羅意波長(zhǎng)為0.12nm（接近x光的波長(zhǎng)），可觀察到衍射。h=p小結(jié)： 1、光的波粒二象性 2、粒子的波動(dòng)性： 3、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 作業(yè)：完成課后“問題與練習(xí)” 德布羅意波德布羅意波 波粒二象性波粒二象性1、德布羅意波（物質(zhì)波）、德布羅意波（物質(zhì)波） De . Broglie 1923年發(fā)表了題為年發(fā)表了題為“波和粒子波和粒子”的的論文，提出了物質(zhì)波的概念。論文，提出了物質(zhì)波的概念。 他認(rèn)為，他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來（指整個(gè)世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的研究起波動(dòng)的研究方法來，如果說是過于忽視了粒

5、子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略了波的圖象呢了波的圖象呢” 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) 德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問題。對(duì)比的方法分析問題。 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。波動(dòng)性統(tǒng)一起

6、來。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。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為想的重大意義，譽(yù)之為“揭開一幅大幕揭開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?；酥?。 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

7、以下關(guān)系：波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv hpm 這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物物質(zhì)波或概率波質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng)其波長(zhǎng) 稱為德布羅意波長(zhǎng)。稱為德布羅意波長(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，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒有波動(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粒子和

8、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)= 。 ph/【例1】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)。mmph3634109 . 17501063. 6解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m50kg ，百米跑時(shí)速度v7m/s ，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。 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。

9、論公式求解。,22122mpmEk 2410452 .mEmpk61093. 5phmh =1.23(2)子彈子彈:ph h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀可見，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子粒子(如子彈如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來。的波動(dòng)性根本測(cè)不出來。 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

10、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，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射線射線波段波段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)

11、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射線的衍射方法射線的衍射方法來分析）來分析） 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 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體通過實(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射線經(jīng)晶體的衍射圖射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖類似的實(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)