光的波粒二象性 物質(zhì)波

17.3嶄新的一頁:粒子的波動(dòng)性德布羅意(deBroglie,1892-1987)

有記者曾問英國物理學(xué)家、諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)卟祭窠淌冢汗馐遣ㄟ€是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息。”如果你是布拉格教授，將如何機(jī)智地回答？那么光的本性到底是什么？光的本性光學(xué)發(fā)展史1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動(dòng)說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說光的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)描述的物理量波動(dòng)性粒子性波動(dòng)性粒子性光的干涉光的衍射光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)ν、λ密立根光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光學(xué)發(fā)展史1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動(dòng)說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動(dòng)性粒子性1801托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)1814菲涅耳衍射實(shí)驗(yàn)赫茲電磁波實(shí)驗(yàn)1888赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)19161922康普頓效應(yīng)牛頓微粒說占主導(dǎo)地位波動(dòng)說漸成真理1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動(dòng)說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動(dòng)性粒子性1909愛因斯坦光的波粒二象性光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性。光學(xué)發(fā)展史粒子性波動(dòng)性（具有能量）（具有頻率）（具有動(dòng)量）hh架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁一.光的波粒二象性（具有波長）1672牛頓微粒說T/年惠更斯波動(dòng)說1690麥克斯韋電磁說18641905愛因斯坦光子說波動(dòng)性粒子性1909愛因斯坦光的波粒二象性光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性。1924德布羅意粒子的波粒二象性實(shí)物粒子既具有粒子性，也具有波動(dòng)性。二.粒子的波粒二象性

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)，用類比方法分析問題。

1924年，他考慮到普朗克量子愛因斯坦光子理論的成功在博士論文《關(guān)于量子理論的研究》中大膽地把光的波粒二象性推廣實(shí)物粒子，如電子，質(zhì)子等。于是他提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波.

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“揭開一幅大幕的一角”。法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。二.粒子的波粒二象性

一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量ε和動(dòng)量p所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率ν和波長λ所描述的波動(dòng)性。h粒子性波動(dòng)性二者通過h來聯(lián)系二.粒子的波粒二象性德布羅意波（物質(zhì)波）的波長在時(shí)

電子的德布羅意波長

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，則二.粒子的波粒二象性可獲得電子在不同電壓下的波長的單位為eV與x射線的波長相當(dāng)

二.粒子的波粒二象性

由于德布羅意博士論文獨(dú)創(chuàng)性，得到了答辯委員會(huì)的高度評(píng)價(jià)，但是人們總覺得他的想法過于玄妙，無法接受。于是，有人質(zhì)問：有什么可以驗(yàn)證這一新的觀念？如果你是德布羅意，將如何驗(yàn)證自己的觀點(diǎn)？三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證0.1nm

X射線照在晶體上可以產(chǎn)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(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電子具有波動(dòng)性。1.電子衍射實(shí)驗(yàn)1

戴維遜和革末的實(shí)驗(yàn)是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強(qiáng)度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗(yàn)證了物質(zhì)波的存在。探測(cè)器電子束電子槍鎳單晶三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Ia=0.215nmd=0.0908nm電流出現(xiàn)了周期性變化Ni單晶da實(shí)驗(yàn)結(jié)果：三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)解釋：將電子看成波，其波長為德布羅意波長：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：GNi單晶電流計(jì)UBK發(fā)射電子陰級(jí)加速電極顯然將電子看成微粒無法解釋。實(shí)驗(yàn)表明電流最大值正好滿足M三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨(dú)立完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極1.電子衍射實(shí)驗(yàn)2電子束在穿過細(xì)晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。此后，人們相繼證實(shí)了原子、分子、中子等都具有波動(dòng)性。電子衍射圖樣三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三.物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.電子雙縫實(shí)驗(yàn)1961年瓊森（ClausJ?nsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=2.010-6m的雙縫,當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫