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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習自主學習1光是一種電磁波，具有波動性，具有光是一種電磁波，具有波動性，具有干涉干涉和和衍射衍射等等波所特有的性質波所特有的性質2光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時是一份一份的，而光子說：光不僅在發(fā)射和吸收時是一份一份的，而且光本身就是由一個個且光本身就是由一個個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康普頓效應康普頓效應(1)光的散射：光子在介質中和物體微粒相互作用，使光的散射：光子在介質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，這種現(xiàn)象叫光的散射發(fā)生偏轉，這種現(xiàn)象叫光的散射(2)康普頓效應：康普頓效
2、應：X射線經物質散射后波長射線經物質散射后波長變長變長的現(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波動性性，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)光的波動性的證明：光能發(fā)生光的波動性的證明：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：光在與其他物質相互作用時，能量和光的粒子性的證明：光在與其他物質相互作用時，能量和動量是以動量是以一份一份一份一份的形式進行交換的的形式進行交換的光電效應光電效應現(xiàn)象和現(xiàn)象和康普康普頓頓效應證明光具有粒子性效應證明光具有粒子性5光子的能量光子的能量h，動量，動量
3、ph/，兩式左側的，兩式左側的和和p描述描述光的光的粒子粒子性性，右側的，右側的和和描述光的描述光的波動波動性性，兩式把粒子性和，兩式把粒子性和波動性緊密地聯(lián)系了起來波動性緊密地聯(lián)系了起來6光是一種概率波光是一種概率波在雙縫干涉實驗中，屏上亮紋的地方，是光子到達概率在雙縫干涉實驗中，屏上亮紋的地方，是光子到達概率大大的的地方，暗紋的地方是光子到達概率地方，暗紋的地方是光子到達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，即光波在某處的強度代表著光子在該處出現(xiàn)波，即光波在某處的強度代表著光子在該處出現(xiàn)概率概率的大小的大小.問題：什么是康普頓效應？說明了問題：什么是康普頓效應？說明了
4、什么？什么？1.光的散射光的散射光在介質中與物質微粒相互作用光在介質中與物質微粒相互作用,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.康普頓效應康普頓效應 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過物射線通過物質散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有質散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長相同的射線外，還有比與入射線波長相同的射線外，還有比入射線波長更長的射線，其波長的改入射線波長更長的射線，其波長的改變量與散射角變量與散射角有關，而與入射線波長有關，而與入射線波長 和散射物質都無關和散射物質都無關。一一.康普頓散射的實驗裝置與規(guī)律：康普頓
5、散射的實驗裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質散射物質)j 0散射波長散射波長 康普頓正在測晶體康普頓正在測晶體對對X 射線的散射射線的散射 按經典電磁理論：按經典電磁理論：如果入射如果入射X光是某光是某 種波長的電磁波，種波長的電磁波，散射光的波長是散射光的波長是 不會改變的！不會改變的！康普頓散射曲線的特點：康普頓散射曲線的特點：1.除原波長除原波長 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長波方向的新的散射波長長波方向的新的散射波長 。2.新波長新波長 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 的現(xiàn)象，稱的現(xiàn)
6、象，稱為為康普頓散射?？灯疹D散射。波長的偏移為波長的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj.o（A）0.7000.750波長波長.0 稱為電子的稱為電子的Compton波長波長)cos1(j j c只有當入射波長只有當入射波長 0與與 c可比擬時，康普頓效應才顯可比擬時，康普頓效應才顯著，著，因此要用因此要用X射線才能觀察到射線才能觀察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可見光觀察不到康普頓散射。見光觀察不到康普頓散射。波長的偏移只與散射角波長的偏移只與散射角j j 有關，有關，而與散射物質而與散射物質種類及入射的種類及入射的X X射線的波長射線的波長 0 0 無關，無關，0 c=0.
7、0241=2.41 10-3nm（實驗值）（實驗值）遇到的困難遇到的困難經典電磁理論在解釋康普頓效應時經典電磁理論在解釋康普頓效應時2.2.無法解釋波長改變和散射角的關系。無法解釋波長改變和散射角的關系。射光頻率應等于入射光頻率。射光頻率應等于入射光頻率。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)射的散過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，過物質時，物質中帶電粒子將作受迫振動，1.1.根據經典電磁波理論，當電磁波通根據經典電磁波理論，當電磁波通光子理論對康普頓效應的解釋光子理論對康普頓效應的解釋 康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應是光子和電子作彈性碰撞的子
8、能量幾乎不變，波長不變。子能量幾乎不變，波長不變。小于原子質量，根據碰撞理論，小于原子質量，根據碰撞理論，碰撞前后光碰撞前后光光子將與整個原子交換能量光子將與整個原子交換能量,由于光子質量遠由于光子質量遠2.若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，若光子和束縛很緊的內層電子相碰撞，是散射光的波長大于入射光的波長。是散射光的波長大于入射光的波長。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，光子有一結果，具體解釋如下：結果，具體解釋如下：3.因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關，
9、所以波長改變和散射角有關。有關，所以波長改變和散射角有關。光子理論對康普頓效應的解釋光子理論對康普頓效應的解釋三三.康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義（1 1）有力地支持了愛因斯坦）有力地支持了愛因斯坦“光量子光量子”假設；假設；（2 2）首次在實驗上證實了）首次在實驗上證實了“光子具有動量光子具有動量”的假設；的假設；（3 3）證實了）證實了在微觀世界的單個碰撞事件中，在微觀世界的單個碰撞事件中，動量和能量守恒定律仍然是成立的。動量和能量守恒定律仍然是成立的?？灯疹D的成功也不是一帆風順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風順的，在他早期的幾篇論文中，一直認為散射光頻率的改變是由于幾篇論
10、文中，一直認為散射光頻率的改變是由于“混進來了某種熒光輻射混進來了某種熒光輻射”；在計算中起先只；在計算中起先只考慮能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？紤]能量守恒，后來才認識到還要用動量守恒?？灯疹D于康普頓于19271927年獲諾貝爾物理獎。年獲諾貝爾物理獎?？悼灯掌疹D頓效效應應康康普普頓頓效效應應康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學獎年獲諾貝爾物理學獎(1892-1962)美國物理學家美國物理學家192719251926年，吳有訓用銀的年，吳有訓用銀的X射線射線(0=5.62nm)為入射線為入射線,以以15種輕重不同的元素為散射物質，種輕重不同的元素為散射物質，四、吳有訓對研究康普頓效
11、應的貢獻四、吳有訓對研究康普頓效應的貢獻1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應的研究工作.對證實康普頓效應作出了對證實康普頓效應作出了重要貢獻。重要貢獻。在同一散射角在同一散射角()測量測量各種波長的散射光強度，作各種波長的散射光強度，作了大量了大量 X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 j j（1897-19771897-1977）吳有訓吳有訓例例、康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量康普頓效應證實了光子不僅具有能量，也有動量.圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，圖給出了光子與靜止電子碰撞后，電子的運動方向，則碰撞后光子可能沿方向則碰撞后光子可能
12、沿方向_運動，并且波長運動，并且波長_(填填“不變不變”“”“變短變短”或或“變長變長”).解析解析因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞因光子與電子的碰撞過程動量守恒，所以碰撞后光子和電子的總動量的方向與光子碰撞前動量的方后光子和電子的總動量的方向與光子碰撞前動量的方向一致，可見碰撞后光子運動的方向可能沿向一致，可見碰撞后光子運動的方向可能沿1方向，不方向，不可能沿可能沿2或或3方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉移方向；通過碰撞，光子將一部分能量轉移給電子，光子的能量減少，由給電子，光子的能量減少，由h知，頻率變小，再知，頻率變小，再根據根據c知，波長變長知，波長變長.答案答案1變長變長光
13、子的能量和動量光子的能量和動量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動量能量是描述粒子的動量能量是描述粒子的,頻率和波長則是用來描述波的頻率和波長則是用來描述波的問題：什么是光的波粒二象性？問題：什么是光的波粒二象性？一、德布羅意的物質波一、德布羅意的物質波德布羅意德布羅意(due de Broglie,1892-1960)德布羅意原來學習歷史，后來改學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，用理論物理學。他善于用歷史的觀點，用對比的方法分析問題。對比的方法分析問題。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性統(tǒng)一起來。波動性統(tǒng)一起來
14、。1924年，在博士論文年，在博士論文關于量子理論的研究關于量子理論的研究中提出德布羅中提出德布羅意波意波,同時提出用電子在晶體上作衍射實同時提出用電子在晶體上作衍射實驗的想法。驗的想法。愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思想的重大意義，譽之為想的重大意義，譽之為“揭開一幅大幕揭開一幅大幕的一角的一角”。法國物理學家，法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)得者，波動力學的創(chuàng)始人，量子力學的奠始人，量子力學的奠基人之一?；酥?。能量為能量為E、動量為、動量為p的粒子與頻率為的粒子與頻率為v、波長為、波長為 的的波相聯(lián)系，并遵從以下關
15、系：波相聯(lián)系，并遵從以下關系：E=mc2=hv hmp 這種和實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波這種和實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物物質波或概率波質波或概率波),其波長其波長 稱為德布羅意波長。稱為德布羅意波長。一切實物粒子都有波動性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(xiàn)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由光的波粒
16、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，念：任何一個運動著的物體都有一種波與它對應，該波的波長該波的波長=。ph/【例【例1】試估算一個中學生在跑百米時的德布羅意】試估算一個中學生在跑百米時的德布羅意波的波長。波的波長。mmph3634109.17501063.6解：估計一個中學生的質量解：估計一個中學生的質量m50kg，百米跑時，百米跑時速度速度v7m/s，則，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
17、現(xiàn)出其波動性。表現(xiàn)出其波動性。例題例題2(1)電子動能電子動能Ek=100eV；(2)子彈動量子彈動量p=6.63106kg.m.s-1,求德布羅意波長。求德布羅意波長。解解 (1)因電子動能較小，速度較小，可用非相對因電子動能較小，速度較小，可用非相對論公式求解。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，只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀可見，只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀粒子粒子(如子彈如子彈)的波動性根本測不出來。的波動性根本測不出來。一個質量為一個質量為m的
18、實物粒子以速率的實物粒子以速率v 運動時，即具有以能運動時，即具有以能量量E和動量和動量P所描述的粒子性，同時也具有以頻率所描述的粒子性，同時也具有以頻率 和波長和波長 所描述的波動性所描述的波動性。hEPh德布羅意關系德布羅意關系如速度如速度v=5.0 102m/s飛行的子飛行的子彈，質量為彈，質量為m=10-2Kg，對應的對應的德布羅意波長為：德布羅意波長為：nmmvh25103.1 如電子如電子m=9.1 10-31Kg，速，速度度v=5.0 107m/s,對應的德對應的德布羅意波長為：布羅意波長為：nmmvh2104.1 太小測不到！太小測不到！X射線波段射線波段2、戴維遜革末實驗、戴
19、維遜革末實驗 1927年，年，Davisson和和Germer 進行了電子衍射實驗。進行了電子衍射實驗。（該實驗榮獲（該實驗榮獲19371937年年Nobel Nobel 物理學獎）物理學獎）戴維遜戴維遜-革末實驗革末實驗電子衍射實驗電子衍射實驗 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到一個強度極上探測到一個強度極大。大。（可用晶體（可用晶體對對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 電子波動性的理論電子波動性的理論研究研究1929諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎 C.J.戴維孫戴維孫 通過實驗發(fā)
20、現(xiàn)晶體通過實驗發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射作用對電子的衍射作用1937諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎X射線經晶體的衍射圖射線經晶體的衍射圖電子射線經晶體的衍射圖電子射線經晶體的衍射圖類似的實驗：19271927年，年，湯姆遜電子衍射實驗湯姆遜電子衍射實驗 19601960年，年，C.JonsonC.Jonson的的電子雙縫干涉實驗電子雙縫干涉實驗 后來的實驗證明原子、分子、中子等微觀粒子也后來的實驗證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動性。具有波動性。德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)德布羅意公式成為揭示微觀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
21、因發(fā)現(xiàn)電子波而因發(fā)現(xiàn)電子波而榮獲榮獲Nobel 物理學獎。物理學獎。電子顯微鏡電子顯微鏡 電子雙縫衍射電子雙縫衍射 1)用足夠強的電子束進行雙縫衍射用足夠強的電子束進行雙縫衍射 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動性出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動性 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未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質 得到的結果與光的雙縫衍射結果一樣得到的結果與光的雙縫衍射結果一樣 2)用非常弱的電子束進行雙縫衍射用非常弱的電子束進行雙縫衍射 單個電子的運動方向是完全不確定的單個電子的運動方向是完全不確定的_具有概率分布具有概率分
22、布 一定條件下，電子運動方向的概率具有確定的規(guī)律一定條件下，電子運動方向的概率具有確定的規(guī)律 開始電子打在屏幕上的位置是任意的開始電子打在屏幕上的位置是任意的 隨著時間推移，電子具有穩(wěn)定的分布隨著時間推移，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_和強電子束在短時間形成的一樣和強電子束在短時間形成的一樣 物質波不是經典波物質波不是經典波 經典的波是介質中質元共同振動的形成的經典的波是介質中質元共同振動的形成的 雙縫衍射中體現(xiàn)為無論電子強度多么弱雙縫衍射中體現(xiàn)為無論電子強度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強弱連續(xù)分布的衍射條紋屏幕上出現(xiàn)的是強弱連續(xù)分布的衍射條紋 實際上在電子強度弱的情形中實際
23、上在電子強度弱的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機的，完全不確定的電子在屏幕上的分布是隨機的，完全不確定的 微觀粒子不是經典粒子微觀粒子不是經典粒子 經典粒子雙縫衍射經典粒子雙縫衍射 子彈可以看作是經典粒子子彈可以看作是經典粒子 假想用機關槍掃射雙縫假想用機關槍掃射雙縫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 子彈通過子彈通過A在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類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 子彈通過狹縫子彈通過狹縫B在屏幕在屏幕C上有
24、一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類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狹縫同時打開狹縫同時打開 子彈是經典粒子子彈是經典粒子 原來通過原來通過A狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過還是通過A 原來通過原來通過B狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過還是通過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狹縫同時打開不因兩個狹縫同時打開每顆子彈會有新的選擇！每顆子彈會有新的選擇！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上觀察電子數(shù)目上觀察電子數(shù)目1)將狹縫將狹縫B擋住
25、擋住 電子通過狹縫電子通過狹縫A 在屏幕在屏幕C有一定分布有一定分布 類似于單縫衍射類似于單縫衍射 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 電子通過狹縫電子通過狹縫B在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類似于單縫衍射的中央主極大3）A和和B狹縫同時打開狹縫同時打開 如果電子是經典粒子如果電子是經典粒子 原來通過原來通過A狹縫的電子狹縫的電子 還是通過還是通過A 原來通過原來通過B狹縫的電子狹縫的電子 還是通過還是通過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 實際觀察到類似光的雙縫衍射條紋實際觀察到類似光的雙
26、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 只開一個狹縫和同時開兩個狹縫只開一個狹縫和同時開兩個狹縫 電子運動的方向具有隨機性電子運動的方向具有隨機性 A和和B狹縫同時開時狹縫同時開時 電子似乎電子似乎“知道知道”兩個狹縫都打開！兩個狹縫都打開！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 不是經典粒子不是經典粒子 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強度決定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) 光的波粒二象性課件 教科選修3-5
