大学物理早期量子论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1迈克尔逊迈克尔逊莫雷试验莫雷试验量子力学量子力学狭义相对论狭义相对论 黑体辐射黑体辐射光电效应光电效应氢原子光谱氢原子光谱 康普顿康普顿效应效应经典物理学经典物理学23 23 早期量子论早期量子论1第第1页页2量子力学诞生量子力学诞生 三个试验三个试验（1）黑体辐射）黑体辐射（2）光电效应）光电效应（3）原子光谱）原子光谱三个飞跃三个飞跃（1）普朗克量子假说）普朗克量子假说（2）德布罗意物质波假设）德布罗意物质波假设（3）薛定谔方程与）薛定谔方程与 玻恩概率波解释玻恩概率波解释2第第2页页319 爱因斯坦爱因斯坦 光量子假说光量子假说19 卢瑟福卢瑟福 原子有核模型原子有核模型19 波尔波尔 氢原子光谱规律氢原子光谱规律原子及量子概念原子及量子概念1924年年 德布罗意德布罗意 物质波，波粒二象性物质波，波粒二象性1925年年 海森伯海森伯 矩阵力学矩阵力学1926年年 薛定谔薛定谔 波动力学波动力学 量子力学理论量子力学理论1927年年 海森伯海森伯 测不准关系测不准关系 波恩波恩 波函数统计诠释波函数统计诠释 狄拉克狄拉克 相对论量子力学相对论量子力学量子力学理论量子力学理论19 普朗克普朗克 能量子能量子（早期量子论）（早期量子论）422628322434452639A、旧量子旧量子论形成论形成（冲破经典冲破经典量子假说量子假说）B、量子力学建立、量子力学建立（崭新概念崭新概念）C、量子力学深入发展、量子力学深入发展（应用、发展应用、发展）3第第3页页19271927年第五届索尔威会议年第五届索尔威会议爱爱因因斯斯坦坦洛洛仑仑兹兹居居里里夫夫人人普普朗朗克克德德拜拜泡泡利利康康普普顿顿薛薛定定谔谔狄狄拉拉克克埃埃伦伦费费斯斯特特布布喇喇格格玻玻尔尔海海森森伯伯玻玻恩恩朗朗之之万万4第第4页页23.1 黑体辐射黑体辐射 普朗克量子论普朗克量子论一一.热辐射基本概念热辐射基本概念1）辐射出射度辐射出射度 (辐出度辐出度)-)-M 温度为温度为T T时时，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来各种频率电磁波能量总和各种频率电磁波能量总和 2)单色辐射出射度（单色辐出度）单色辐射出射度（单色辐出度）热辐射热辐射：物体发出各种电磁波能量按频率分布随温度而不一样物体发出各种电磁波能量按频率分布随温度而不一样电磁辐射现象。电磁辐射现象。温度为温度为T T时时，单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出单位时间内从物体表面单位面积上所辐射出来，波长在来，波长在附近，单位波长间隔内电磁波能量。附近，单位波长间隔内电磁波能量。5第第5页页式中式中 dM 是频率在是频率在 +d 范围内单位时间从物体表面单位面范围内单位时间从物体表面单位面积上辐射电磁波能量积上辐射电磁波能量3）单色单色吸收比（光谱吸收比）吸收比（光谱吸收比）和和单色单色反射比（反射比（光谱光谱反反射比）射比）物体在温度物体在温度T，吸收和反射频率，吸收和反射频率 d范围内电磁波范围内电磁波能量与对应频率入射电磁波能量之比能量与对应频率入射电磁波能量之比对于对于不透明不透明物体物体：+=11）辐射出射度辐射出射度(辐出度辐出度)-M 2)单色辐射出射度（单色辐出度）单色辐射出射度（单色辐出度）（光谱辐射出射度）（光谱辐射出射度）单位：单位：W/(m2.Hz)6第第6页页二二.基尔霍夫定侓和黑体基尔霍夫定侓和黑体2）黑体）黑体 若一个物体在任何温度下，对于任何波长入射辐射若一个物体在任何温度下，对于任何波长入射辐射能吸收比都等于能吸收比都等于 1,则称它为绝对黑体则称它为绝对黑体 黑体黑体即即,1）基尔霍夫定侓：）基尔霍夫定侓：普适函数普适函数7第第7页页人造绝对黑体模型人造绝对黑体模型 封闭封闭空腔空腔小孔小孔绝对黑体单色辐出度绝对黑体单色辐出度-研究热辐射中心问题研究热辐射中心问题吸收吸收发射发射8第第8页页问：既然入射到黑体上光，问：既然入射到黑体上光，没有反射，还有光从黑体没有反射，还有光从黑体出射吗？出射吗？黑体辐射最大黑体辐射最大9第第9页页黑体辐射黑体辐射试验曲线试验曲线可见光区可见光区0M 试验装置试验装置黑体黑体准直系统准直系统三棱镜三棱镜测量系统测量系统透镜透镜加热器加热器3 3）黑体辐射试验研究）黑体辐射试验研究10第第10页页三三.黑体辐射基本规律黑体辐射基本规律1）斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律斯特藩常数斯特藩常数2）维恩位移定律维恩位移定律 黑体辐射出光谱中辐射最强波长黑体辐射出光谱中辐射最强波长 m 与黑体温度与黑体温度 T 之间之间满足关系满足关系维恩常数维恩常数或或11第第11页页四四.经典物理学所碰到困难经典物理学所碰到困难解释试验曲线解释试验曲线1）维恩半经验公式：维恩半经验公式：公式适合于短波波段，公式适合于短波波段，长波波段与试验偏离。长波波段与试验偏离。公式只适合用于长波段公式只适合用于长波段,而在紫外区与试验不符而在紫外区与试验不符,-紫外灾难紫外灾难2）瑞利瑞利-金斯公式金斯公式玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 k=1.380658 10-23J/K12第第12页页假说假说:对于一定频率对于一定频率 电磁辐射电磁辐射,物体只能以物体只能以 h h 为为单位发射或吸收它单位发射或吸收它 物体发射或吸收电磁辐射只能以物体发射或吸收电磁辐射只能以“量子量子”形式进形式进行行,每个能量子能量为每个能量子能量为:普朗克常数普朗克常数五五.普朗克能量子假说普朗克能量子假说普朗克公式普朗克公式-h-h 是一个普适常数是一个普适常数或或能量子最小能量能量子最小能量或或13第第13页页讨论：讨论：（1）（2）（斯特藩斯特藩玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律）（维恩位移定律维恩位移定律）（3）当当大时（短波段）大时（短波段）（维恩半经验公式维恩半经验公式）（4）当当小时（长波段小时（长波段）（瑞利瑞利-金斯公式金斯公式）14第第14页页斯特藩常数斯特藩常数15第第15页页由普朗克能量子假设能够得到由普朗克能量子假设能够得到（瑞利（瑞利-金斯公式）金斯公式）普朗克普朗克公式公式16第第16页页普朗克思想是完全背离经典物理，受到当初许多人怀疑和反对，普朗克思想是完全背离经典物理，受到当初许多人怀疑和反对，包含当初物理学泰斗包含当初物理学泰斗-洛仑兹。乃至当初普朗克自已也想以某洛仑兹。乃至当初普朗克自已也想以某种方式来消除种方式来消除 这一关系式。他写道：这一关系式。他写道：我试图将我试图将 h h 纳入经典理论范围，但这么尝试都失败了，这个量纳入经典理论范围，但这么尝试都失败了，这个量非常顽固，以后他又说：非常顽固，以后他又说：普朗克能量子假说造成了量子力学产生，普朗克也成为量子力学普朗克能量子假说造成了量子力学产生，普朗克也成为量子力学奠基人，于奠基人，于19取得诺贝尔奖。取得诺贝尔奖。1912月月14日成为量子物理诞生日日成为量子物理诞生日在好几年内我花费了很大劳动，徒劳地去尝试怎样将作用量子引入在好几年内我花费了很大劳动，徒劳地去尝试怎样将作用量子引入到经典理论中去。但我从这种深入剖析中也取得了极大好处，我终到经典理论中去。但我从这种深入剖析中也取得了极大好处，我终于确切地知道能量子于确切地知道能量子 将在物理中发挥出巨大作用。将在物理中发挥出巨大作用。1912月月14日普朗克在德国物理学会例会上以题为日普朗克在德国物理学会例会上以题为“关于正常谱中关于正常谱中能量分布定律理论能量分布定律理论”条理清楚地推导和论证了他得到黑体辐射公条理清楚地推导和论证了他得到黑体辐射公式。式。17第第17页页普朗克能量子假说标志着量子时代开始普朗克能量子假说标志着量子时代开始能量子成功在于揭示了经典理论处理黑体辐能量子成功在于揭示了经典理论处理黑体辐射失败原因是射失败原因是:使用了辐射能量连续分布经典概念。使用了辐射能量连续分布经典概念。能量子假设提出了原子振动能量只能是能量子假设提出了原子振动能量只能是一系列分立值能量量子化新概念。一系列分立值能量量子化新概念。18第第18页页每一组值可能给定一个驻波，每一组值可能给定一个驻波，六六.关于黑体辐射公式分析关于黑体辐射公式分析 辐射度与辐射能密度辐射度与辐射能密度能量密度能量密度 （T T）：）：腔壁温度为腔壁温度为 T T 时，腔内单位体积中时，腔内单位体积中 在在 dd范范围内单位频率辐射能围内单位频率辐射能腔内每一列电磁驻波频率腔内每一列电磁驻波频率 长方体空腔边长长方体空腔边长由驻波条件有：由驻波条件有：每一个驻波有一个能量每一个驻波有一个能量腔内热平衡后，吸收腔内热平衡后，吸收=辐射。辐射。形成驻波形成驻波19第第19页页普朗克：谐振子能量不连续，则普朗克：谐振子能量不连续，则量子统计物理学：量子统计物理学：单位体积空腔中频率在单位体积空腔中频率在 d d 之间电磁波驻波数目之间电磁波驻波数目(两个偏振态两个偏振态)每个驻波平均能量每个驻波平均能量20第第20页页附：黑体辐射公式推导附：黑体辐射公式推导 能量密度能量密度 （T T）：）：腔壁温度为腔壁温度为 T T 时，腔内单位体积中时，腔内单位体积中 在在 dd范围内单位频率辐射能范围内单位频率辐射能单色辐出度单色辐出度1.1.能够证实：能够证实：rdSxyz21第第21页页2.2.由玻尔兹曼分布律：由玻尔兹曼分布律：归一化条件：归一化条件：利用无穷递缩等比数列和利用无穷递缩等比数列和这里这里 平均能量平均能量利用等差利用等差-等比数列和等比数列和平均每个状态光子平均每个状态光子(电磁波驻波电磁波驻波)能量能量22第第22页页考虑到两个偏振态考虑到两个偏振态单位体积状态数单位体积状态数单位体积单位频率能量单位体积单位频率能量最最终终可可得得3.3.黑体空腔中光子动量黑体空腔中光子动量p p+dpp p+dp状态数状态数或或23第第23页页讨论：讨论：（1 1）（2 2）（斯特藩（斯特藩玻耳兹曼定律）玻耳兹曼定律）（维恩位移定律）（维恩位移定律）（3 3）当当大时（短波段）大时（短波段）（维恩半经验公式）（维恩半经验公式）（4 4）当当小时（长波段）小时（长波段）（瑞利（瑞利-金斯公式）金斯公式）或或24第第24页页斯特藩常数斯特藩常数维恩常数维恩常数25第第25页页23.2 23.2 光电效应与光电效应与爱因斯坦理论爱因斯坦理论试验规律试验规律一一 光电效应试验规律光电效应试验规律光电效应光电效应 光电子光电子iH26第第26页页1.1.入射光频率一定时，入射光频率一定时，饱和光电流强度饱和光电流强度 i iH H 与入射光强度与入射光强度I Is s成正比成正比 单位时间内从金属表面溢出电子数目单位时间内从金属表面溢出电子数目n n(iH=ne)与与 入射光强度成正比，入射光强度成正比，nn光强光强I Is s2.2.光电子最大初动能随入射光频率增加而增加光电子最大初动能随入射光频率增加而增加，与入射光强无关。与入射光强无关。只有只有U=-UU=-Uc c 0 0时，光电流才为时，光电流才为0 0，U Uc c称为截止电压。称为截止电压。iH27第第27页页 U Uc c 式中，式中，K K是常数，是常数，而而U U0 0 由阴极金属材料决定由阴极金属材料决定3.3.对于每一个金属，只有当入射光频率对于每一个金属，只有当入射光频率 大于一定大于一定 红限频率红限频率 0 0 时，才会产生光电效应。时，才会产生光电效应。令令U U0 0=K=K 0 0 ，则，则-光电效应红限频率（或截止频率）光电效应红限频率（或截止频率）4.4.光电效应是光电效应是瞬时。瞬时。只要入射光频率只要入射光频率0 0 ，不论多弱，光照射阴极到光电子逸，不论多弱，光照射阴极到光电子逸出这段时间不超出出这段时间不超出1010-9-9s.s.U028第第28页页光经典波动学说缺点光经典波动学说缺点1 1、金金属属中中电电子子从从入入射射光光中中吸吸收收能能量量，逸逸出出金金属属表表面面初初动动能能应应决决定定于于光光强强度度。试试验验:初初动动能能与与入入射光频率相关，与光强无关射光频率相关，与光强无关2 2、假假如如入入射射光光光光强强能能量量足足够够提提供供电电子子逸逸出出能能量量，光光电电效效应应对对各各种种频频率率入入射射光光都都能能发发生生。试试验验:存存在在红限频率。红限频率。3 3、金金属属中中电电子子吸吸收收能能量量，需需要要积积累累时时间间。入入射射光光越越弱弱，积积累累时时间间越越长长。试试验验:不不需需积积累累时时间间，瞬瞬间间完成完成。29第第29页页按经典理论，光波能量只与光强和振幅相关，与频率无关，按经典理论，光波能量只与光强和振幅相关，与频率无关，不能解释截止频率，不能解释瞬时性。不能解释截止频率，不能解释瞬时性。爱因斯坦光量子论爱因斯坦光量子论 1.光辐射是由在真空中以速率光辐射是由在真空中以速率 c 传输光量子组成粒子流。传输光量子组成粒子流。每个光量子能量与辐射频率每个光量子能量与辐射频率 关系为关系为2.爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程A为电子逸出功，为电子逸出功，为光电子最大初动能。为光电子最大初动能。N为单位时间垂直经过单位面积光子数为单位时间垂直经过单位面积光子数23.2.3 爱因斯坦光量子假说对光电效应解释爱因斯坦光量子假说对光电效应解释30第第30页页3、解释光电效应解释光电效应1）一个光子能量能够马上被金属中一个束缚电子吸收一个光子能量能够马上被金属中一个束缚电子吸收-瞬时性瞬时性2）光强越大）光强越大 光子数越多光子数越多 光电子越多光电子越多 饱和光电流越大饱和光电流越大 -入射频率一定时入射频率一定时 饱和光电流和入射光强成正比饱和光电流和入射光强成正比3）爱因斯坦方程表明：光电子最大初动能与入射光频率成线性爱因斯坦方程表明：光电子最大初动能与入射光频率成线性 关系，而与入射光强无关。关系，而与入射光强无关。4）入射光子能量必须大于逸出功入射光子能量必须大于逸出功 A 红限频率红限频率试验试验：比较爱因斯坦方程与试验结果比较爱因斯坦方程与试验结果31第第31页页光波粒二象性光波粒二象性 由相对论动量能量关系式由相对论动量能量关系式光子静质量光子静质量光子光子动量能量关系动量能量关系光子光子动量动量光子光子动量和动量和能量分别为能量分别为和和光含有粒子性光含有粒子性光有干涉光有干涉,衍射衍射,偏振现象偏振现象光含有波动性光含有波动性光波粒二象性反应了光本质光波粒二象性反应了光本质 32第第32页页33例例 某金属产生光电效应红限波长为某金属产生光电效应红限波长为 0，今以波长为，今以波长为（），它们对应强度），它们对应强度分别为分别为 Ili 和和 IFe，则，则答案答案 （C）48第第48页页例例 用用动动量量守守恒恒定定律律和和能能量量守守恒恒定定律律证证实实：一一个个自自由由电电子子不不能能一一次次完完全全吸收一个光子。吸收一个光子。解解解解：假假设设一一个个自自由由电电子子能能够够一一次次完完全全吸吸收收一一个个光光子子。如如图图所所表表示示，设设相相互互作作用用前前后后电电子子动动量量分分别别为为 和和 ，光光子子频频率率为为 ，电电子子静静止止质质量量为为 m0，则则依依据据动量守恒定律和能量守恒定律可知：动量守恒定律和能量守恒定律可知：(1)(2)(1)式两边平方有：即：(3)49第第49页页(2)式两边平方有：(4)(3)式和(4)式联立可推出：进而可推出：而这是不可能，由此可见，原假设不成立。这就证实了一个自由电子不能一次完全吸收一个光子。50第第50页页23.4 23.4 玻尔玻尔氢原子氢原子理论理论一一 原子核式结构原子核式结构 式中式中:m=1:m=1，2 2，3 3，4 4，n=m+1n=m+1，m+2m+2，m+3m+3，R R是里德堡常数是里德堡常数 T T为光谱项为光谱项二二 氢原子光谱规律性氢原子光谱规律性 氢原子光谱经验规律氢原子光谱经验规律51第第51页页巴尔末系巴尔末系(m=2)(n=3，4，5.)帕邢系帕邢系 (m=3)(n=4，5，6)布拉开系布拉开系(m=4)(n=5，6，7 )普丰德系普丰德系(m=5)(n=6，7，8)可见光可见光红红外外区区莱曼线系莱曼线系(m=1)(n=2，3，4)紫外紫外其它光谱可表示为两个光谱项之差其它光谱可表示为两个光谱项之差-里兹组合原理里兹组合原理52第第52页页 经典解释碰到困难经典解释碰到困难 1 1）加速运动电子辐射电磁波频率是连续分布。）加速运动电子辐射电磁波频率是连续分布。这与上述氢原子光谱线状分布完全不符。这与上述氢原子光谱线状分布完全不符。2 2）据卢瑟福原子模型：绕核加速运动电子，最终被吸到核上）据卢瑟福原子模型：绕核加速运动电子，最终被吸到核上,原子不稳定。不过实际上原子是非常稳定。原子不稳定。不过实际上原子是非常稳定。53第第53页页三三 氢原子氢原子玻尔理论玻尔理论 1 1）定态假设）定态假设 原子能够而且只能够稳定地存在于离散能量原子能够而且只能够稳定地存在于离散能量 (E E1 1，E E2 2 )相对应一系列状态相对应一系列状态 -定态（定态能级概念）定态（定态能级概念）2 2）跃迁条件（频率条件）跃迁条件（频率条件）原子能量任何改变，包含发射或吸收电磁辐射，都只能原子能量任何改变，包含发射或吸收电磁辐射，都只能以在两个定态之间方式进行。以在两个定态之间方式进行。原子在两定态原子在两定态 (E En n E Em m)之间跃迁，之间跃迁，3 3）轨道角动量量子化假设）轨道角动量量子化假设(量子化量子化条件）条件）定态与电子绕核运动一系列分立圆周轨道相对应，电子轨道定态与电子绕核运动一系列分立圆周轨道相对应，电子轨道角动量只能是（角动量只能是（h/2h/2）整数倍，即整数倍，即式中，式中，n=1,2,3,n=1,2,3,称为量子数称为量子数54第第54页页解得解得 n=1n=1 态叫基态，态叫基态，其余态叫激发态其余态叫激发态 玻尔半径玻尔半径 基态能量基态能量令令55第第55页页里德堡理论值：里德堡理论值：E1E1/4E1/9E1/n256第第56页页玻璃管抽真空后注入水银玻璃管抽真空后注入水银 蒸汽蒸汽K阴极阴极P阳极阳极 G加速栅极加速栅极23.4.423.4.4弗兰克弗兰克-赫兹试验赫兹试验试验曲线：试验曲线：加速电压每增加加速电压每增加4.9伏时伏时,重复一个峰重复一个峰,汞原子吸收电子能量是汞原子吸收电子能量是不连续不连续.电磁辐射电磁辐射与试验相符与试验相符57第第57页页玻尔氢原子理论：玻尔氢原子理论：成功之处：成功之处：定态能级定态能级能级跃迁决定辐射频率能级跃迁决定辐射频率 当代量子力学当代量子力学主要概念主要概念不足之处：不足之处：依然使用依然使用轨道轨道这一经典概念来这一经典概念来描述电子运动描述电子运动普朗克能量子概念、爱因斯坦光子论、玻尔氢原子理论普朗克能量子概念、爱因斯坦光子论、玻尔氢原子理论前期量子论前期量子论58第第58页页引言：引言：在经典力学中，在经典力学中，研究对象被明确地域分为粒子和波。研究对象被明确地域分为粒子和波。实物粒子：有一定体积、质量和电荷，实物粒子：有一定体积、质量和电荷，运动规律遵照牛顿定律。运动规律遵照牛顿定律。能够集中、整体地交换能量和动量。能够集中、整体地交换能量和动量。波动：波动：弥散于整个空间扰动，弥散于整个空间扰动，其运动服从叠加原理，含有波动所其运动服从叠加原理，含有波动所特有干涉、衍射等效应。特有干涉、衍射等效应。能够广延、连续地交换能量和动量。能够广延、连续地交换能量和动量。在经典力学框架下，波和粒子极难统一到一个客体上。在经典力学框架下，波和粒子极难统一到一个客体上。（定域）（定域）（非定域）（非定域）23.5 微观粒子波粒二象性微观粒子波粒二象性59第第59页页光量子假说光量子假说：光波粒二象性粒子性粒子性波动性波动性（能量）（能量）（频率）（频率）（动量）（动量）（波长）（波长）h两组力学量经过两组力学量经过h来联系来联系60第第60页页61第第61页页 路易斯路易斯.德布罗意（德布罗意（Louis de Broglie 1892-1987)法国物理学家，波动力学创法国物理学家，波动力学创始人，量子力学奠基人之一。出身贵族，始人，量子力学奠基人之一。出身贵族，中课时代显示出文学才华。中课时代显示出文学才华。19在巴黎大在巴黎大学获文学学士学位，以后改学理论物理学获文学学士学位，以后改学理论物理学。他善于用历史观点，用对比方法分学。他善于用历史观点，用对比方法分析问题。析问题。23.5 微观粒子波粒二象性微观粒子波粒二象性62第第62页页一一.德布罗意假设德布罗意假设L.V.de Broglie（法，（法，1892-1986）那么实物粒子也应含那么实物粒子也应含有波动性有波动性从自然界对称性出发从自然界对称性出发 认为认为:既然光既然光(波波)含含有粒子性有粒子性1924.11.29 德布罗意把德布罗意把题为题为“量子理论研究量子理论研究”博士论文提交巴黎大学博士论文提交巴黎大学把波粒共存观念把波粒共存观念 推广到全部物质粒子推广到全部物质粒子不但光含有波粒二象性，而且一切实物粒子不但光含有波粒二象性，而且一切实物粒子不但光含有波粒二象性，而且一切实物粒子不但光含有波粒二象性，而且一切实物粒子(静止质静止质静止质静止质量量量量mm0 000粒子）也含有波粒二象性。粒子）也含有波粒二象性。粒子）也含有波粒二象性。粒子）也含有波粒二象性。63第第63页页德布罗意关系式德布罗意关系式h粒子性粒子性波动性波动性与实物粒子相联络波称为物质波与实物粒子相联络波称为物质波或德布罗意波或德布罗意波 -德布罗意波长德布罗意波长一个总能量为一个总能量为E（包含静能在内）包含静能在内）,动量为动量为 P 实实物粒子同时含有波动性物粒子同时含有波动性,且满足且满足爱因斯坦对此论文评价极高，说：爱因斯坦对此论文评价极高，说：“他揭开了自然界舞台上巨大帷幕一角！他揭开了自然界舞台上巨大帷幕一角！”64第第64页页二二.德布罗意波（物质波）试验验证德布罗意波（物质波）试验验证电电子衍射子衍射德布罗意指出德布罗意指出:用电子在晶体上衍射试验用电子在晶体上衍射试验 能够证实物质波存在能够证实物质波存在U=100V 时，时，=0.123nm电子波长：电子波长：设加速电压为设加速电压为U（单位为伏特）（单位为伏特）（电子速度电子速度v c）电子波波长与电子波波长与 X 射线波长相当射线波长相当65第第65页页U检测器检测器电子枪电子枪镍晶体晶面镍晶体晶面d散射电子束强度最大散射电子束强度最大类似类似X X射线衍射射线衍射原子间距原子间距依据依据德布罗意关系式德布罗意关系式与试验结果符合与试验结果符合1.戴维逊戴维逊革末试验革末试验（1927年年）66第第66页页2.G.P.2.G.P.汤姆逊试验（汤姆逊试验（19271927年）年）电子经过铝多晶薄膜衍射试验电子经过铝多晶薄膜衍射试验 实实 验验 原原 理理铝铝67第第67页页路易路易.德布罗意德布罗意Louis.V.de Broglie法国人法国人1892 1986 提出实物粒子波动性提出实物粒子波动性1929年获诺年获诺贝尔物理奖贝尔物理奖1937年年 戴维逊戴维逊 与与 G.P.汤姆逊共获诺贝尔物理奖。汤姆逊共获诺贝尔物理奖。68第第68页页3.3.琼森琼森(Jonsson)(Jonsson)试验（试验（19611961）基本基本数据数据大量电子单、双、三、四缝衍射试验大量电子单、双、三、四缝衍射试验 以后试验又验证了：质子、中子和原子、分子以后试验又验证了：质子、中子和原子、分子 等实物粒子都含有波动性，并都满足德布洛意等实物粒子都含有波动性，并都满足德布洛意 关系。关系。依据微观粒子波动性发展起来电子显微镜、电子衍射技术和依据微观粒子波动性发展起来电子显微镜、电子衍射技术和中子衍射技术已成为研究物质微观结构和晶体结构分析有力伎中子衍射技术已成为研究物质微观结构和晶体结构分析有力伎俩。俩。69第第69页页 例例 m=0.01kg，v=300 m/s 子弹子弹h极小极小 宏观物体波长小得试验难以测量宏观物体波长小得试验难以测量“宏观物体宏观物体只表现出只表现出粒子性，粒子性，并不是说并不是说没有波动性没有波动性”波长波长波粒二象性是普遍结论波粒二象性是普遍结论宏观粒子也含有波动性宏观粒子也含有波动性70第第70页页观点一观点一：但波包要扩散、消失但波包要扩散、消失,波是基本，波是基本，电子是电子是“波包波包”。观点二观点二：粒子是基本，粒子是基本，是大量电子相互作用形成。是大量电子相互作用形成。电子物质波电子物质波1.粒子波动性是单粒子属性，还是多粒子属性？2.粒子波粒二象性本质是什么？3.怎样描述粒子波粒二象性？其意义？三三 怎样了解物质波怎样了解物质波?波粒二象性本质是什波粒二象性本质是什么？么？而电子是稳定。而电子是稳定。71第第71页页19491949年，前苏联物理学家费格尔曼做了年，前苏联物理学家费格尔曼做了 一个非常准确一个非常准确弱电子流衍射试验弱电子流衍射试验。电子几乎是一个一个地经过双缝，底片上出现电子几乎是一个一个地经过双缝，底片上出现一个一个感光点。（显示出电子含有粒子性）一个一个感光点。（显示出电子含有粒子性）开始时底片上点子开始时底片上点子“无规无规”分布，伴随电子增多，分布，伴随电子增多，逐步形成双缝衍射图样。逐步形成双缝衍射图样。1.1.波动性是单个微观粒子属性波动性是单个微观粒子属性72第第72页页7个电子个电子100个电子个电子3000070000单电子双缝衍射试验：单电子双缝衍射试验：说明衍射图样不是电子说明衍射图样不是电子相互作用结果相互作用结果,它起源它起源于单个电子含有波动性。于单个电子含有波动性。73第第73页页弱电子流长时间“曝光”强电子流短时间“曝光”相同衍射花样波动性是单个粒子本征属性“一个电子一个电子”就含有波动性，就含有波动性，电子波并不是电子间相互作用结果。电子波并不是电子间相互作用结果。但一但一定条件下（如双缝），定条件下（如双缝），它在空间某处出现它在空间某处出现概率是能够确定。概率是能够确定。尽管单个电子去向含有不确定性，尽管单个电子去向含有不确定性，74第第74页页2.2.关于关于微观粒子波粒微观粒子波粒二象性了解二象性了解 1.经典粒子经典粒子是某种实在物理量随空间和时间作周期性改变，是某种实在物理量随空间和时间作周期性改变，满足叠加原理，可产生干涉、衍射等现象。满足叠加原理，可产生干涉、衍射等现象。含有确定质量、电荷。含有确定质量、电荷。其运动规律遵照牛顿定律。其运动规律遵照牛顿定律。2.经典波经典波 经典意义下粒子和波经典意义下粒子和波当与其它物体发生作用时是整体进行。当与其它物体发生作用时是整体进行。给定初始条件，其位置、动量及运动轨迹等给定初始条件，其位置、动量及运动轨迹等就含有确定数值。就含有确定数值。75第第75页页1.粒子性粒子性p 指它与物质相互作用指它与物质相互作用“颗粒性颗粒性”或或“整体性整体性”。p 但不是经典粒子！在空间以概率出现。但不是经典粒子！在空间以概率出现。没有没有确定确定轨道轨道 应摒弃应摒弃“轨道轨道”概念！概念！正确了解微观粒子波粒二象性正确了解微观粒子波粒二象性2.波动性波动性p 指它在空间传输有指它在空间传输有“可叠加性可叠加性”，有有“干涉干涉”、“衍射衍射”、等现象。、等现象。p 但不是经典波！因为它但不是经典波！因为它不代表实在物理量波动。不代表实在物理量波动。76第第76页页即电子既不是经典意义下粒子，即电子既不是经典意义下粒子，也不是经典意义下波。也不是经典意义下波。但它既含有经典粒子某种属性，但它既含有经典粒子某种属性，又含有经典波某种属性。又含有经典波某种属性。波粒二象性只是对这两种属性比喻，波粒二象性只是对这两种属性比喻，电子到底是什么？电子到底是什么？波和粒子都是宏观概念，当我们进入波和粒子都是宏观概念，当我们进入亚微观状态领域时，它们就变得不那么贴切了！亚微观状态领域时，它们就变得不那么贴切了！”“电子既不是粒子，也不是波电子既不是粒子，也不是波费曼：费曼：电子就是电子本身！电子就是电子本身！77第第77页页德布罗意波粒二象性假设德布罗意波粒二象性假设物质波物质波 把原子定态与驻波联络起来把原子定态与驻波联络起来78第第78页页例例.（1）试证实：一个粒子康普顿波长与其德布罗意波长之比为）试证实：一个粒子康普顿波长与其德布罗意波长之比为式中式中 Eo 和和 E 分别为粒子静能和运动粒子总量。分别为粒子静能和运动粒子总量。（2 2）试问：当电子动能为何值时，它德布罗意波长等于它康普）试问：当电子动能为何值时，它德布罗意波长等于它康普顿波长？顿波长？解：解：（1 1）粒子康普顿波长粒子康普顿波长 粒子德布罗意波长粒子德布罗意波长 由相对论粒子能量和动量关系由相对论粒子能量和动量关系79第第79页页（2 2）两波长相等时，即两波长相等时，即有有此时动能为此时动能为80第第80页页光含有波粒二象性，某处光强大光含有波粒二象性，某处光强大,单位时间抵达该处光子单位时间抵达该处光子数就多。数就多。四四.德布罗意波统计解释德布罗意波统计解释 从统计观点看，光强大地方比光强小地方从统计观点看，光强大地方比光强小地方,光子出现概率大。光子出现概率大。微观粒子含有波粒二象性，电子衍射图样说明微观粒子含有波粒二象性，电子衍射图样说明,波强大处电波强大处电子出现概率大。子出现概率大。德布罗意波统计解释德布罗意波统计解释 :在某处德布罗意波强度与粒子在该处邻近出现概率在某处德布罗意波强度与粒子在该处邻近出现概率成正比成正比德布罗意波是德布罗意波是概率波概率波玻恩玻恩19261926年提出年提出：物质波描述了粒子在各处出现概率物质波描述了粒子在各处出现概率81第第81页页