17.3 嶄新的一頁： 粒子的波動性,教學(xué)目標(biāo),1、知識與技能： 了解光的波粒二象性；了解粒子的波動性 2、過程與方法： 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。 3、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，正確地獲取知識的方法。 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：粒子波動性的理解 2、難點(diǎn)：對德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,1923年，德布羅意最早想到了這個(gè)問題，并且大膽地設(shè)想，人們對于光子的波粒二象性會不會也適用于實(shí)物粒子。,1.物質(zhì)波的引入,光具有粒子性，又具有波動性。,光子能量和動量為,上面兩式左邊是描寫粒子性的 E、P；右邊是描寫波動性的 、。 h 將光的粒子性與波動性聯(lián)系起來。,一切實(shí)物粒子都有具有波粒二象性。?,2、德布羅意的物質(zhì)波,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)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對比的方法分析問題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文關(guān)于量子理論的研究中提出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。 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)獎獲得者，波動力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。,能量為E、動量為p的粒子與頻率為v、波長為的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：,這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波),其波長稱為德布羅意波長。,一切實(shí)物粒子都有波動性 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)足球有沒有波動性呢？ 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長為 計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長小到實(shí)驗(yàn)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(yùn)動著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動著的物體都有一種波與它對應(yīng)，該波的波長= 。,【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。,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)波波長非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動性。,【例2】(1)電子動能Ek=100 eV；(2)子彈動量p=6.63×106 kg.m.s-1, 求德布羅意波長。,解 (1)因電子動能較小，速度較小，可用非相對論公式求解。,=1.23Å,(2)子彈:,h= 6.63×10-34,= 1.0×10-40m,可見，只有微觀粒子的波動性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動性根本測不出來。,一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動時(shí)，即具有以能量E和動量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率n和波長l所描述的波動性。,德布羅意關(guān)系,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。,戴維遜革末實(shí)驗(yàn),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。,2. 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、中子等都具有波動性。,3.量子圍欄(Quantum Corral)中的駐波,1993年克羅米(M·F·Corrie)等人用掃描電子顯微鏡技術(shù),把銅(111)表面上的鐵原子排列成半徑為7.13nm的圓環(huán)性量子圍欄,并觀測量到了圍欄內(nèi)的同心圓柱狀駐波,直接證實(shí)了物質(zhì)波的存在.,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,注意:物質(zhì)波被廣泛用作探索手段.例核反應(yīng)產(chǎn)生的中子(=0.1nm)可作為晶體探測器.,中子衍射顯示的苯結(jié)構(gòu),L.V.德布羅意 ：電子波動性的理論研究,1929諾貝爾物理學(xué)獎,1937諾貝爾物理學(xué)獎,C.J.戴維孫 ： 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射作用,物質(zhì)波的一個(gè)最重要的應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明第一臺電子顯微鏡是由德國魯斯卡（E·Ruska）研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎 從波動光學(xué)可知，由于顯微鏡的分辨本領(lǐng)與波長成反比，光學(xué)顯微鏡的最大分辨距離大于0.2 m，最大放大倍數(shù)也只有1000倍左右 自從發(fā)現(xiàn)電子有波動性后，電子束德布羅意波長比光波波長短得多，而且極方便改變電子波的波長，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡,三、物質(zhì)波的應(yīng)用,電子顯微鏡,電子顯微鏡下的薰衣草葉子,電子顯微鏡下的納米纖維,電子顯微鏡下的紅細(xì)胞,電子顯微鏡下的二分裂,小結(jié)：,一、德布羅意的物質(zhì)波,二、德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,3.量子圍欄(Quantum Corral)中的駐波,1. 電子衍射實(shí)驗(yàn)1,2. 電子衍射實(shí)驗(yàn)2,戴維遜革末實(shí)驗(yàn),G.P.湯姆遜（電子衍射實(shí)驗(yàn)。,三、物質(zhì)波的應(yīng)用,電子顯微鏡,