15–5微观粒子的波动性.ppt

* §15-5 微观粒子的波动性 一、德布罗意波及其实验观测 光子具有波粒二象性 波动性——它能在空间表现出干涉、衍射等波动现 象，具有一定的波长、频率。 粒子性—突出表现在光子与物质的相互作用中， 它具有能量、动量与质量。 德布罗意觉得自然界在很多方面是对称 的，但整个世纪以来，人们对光的研究 是否过多地注意到了它们的波动性；而 对实物粒子（静止 质量不为零的微观粒子及由它们组成的实物）的研究，又是否把粒子的图象想得过多，而忽略了它们的波的图象呢！ 1、德布罗意假设 光的波粒二象性引起了法国Lous De Broglie的思考 （1892-1987） 1922年他的这种思想进一步升华，经再三思考，1924年，De Broglie在他的博士论文“量子论研究”中，大胆地提出了如下假设： 不仅辐射具有二象性，而且一切实物粒子 也具有二象性。 很早认识到光的波动性； 直到1905年认识到光的粒子性。 光（场物质）： 实物粒子： 很早认识到实物粒子的粒子性； 实物粒子是否也有波动性？ 德布罗意假设：实物粒子同时具有波粒二象性； 粒子性 波动性 波粒二象性联系： 与实物粒子相联的波称为德布罗意波或物质波. 物质波的波长和频率为 事实上德布罗意提出以上想法后，也没有被大家接受， 直到他的导师朗之万将其论文的复制品交给爱因斯坦， 从经典物理看来，简直是荒谬和不可思议，看来 提出这种想法没有一定的气魄是不行的。德布罗 意回忆说：“我当时只不过是一种想法，不过尚 没有诞生，而且觉得这种想法不敢讲出去”。 爱因斯坦说： “揭开了自然界巨大帷幕的一角” “瞧瞧吧，看来疯狂，可真是站得住脚呢” 经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注 答辩会上，佩林问: “这种波怎样用实验来证实呢？” 德布洛意： “用电子在晶体上的衍射实验可以做到。” 二 、德布罗意波的实验验证 戴维逊(Davisson)革末(Germer)实验(1927) 电子在镍单晶上的衍射实验 电子通过金薄膜的衍射实验 汤姆逊（G.P.Thomson）实验（1927） 约恩逊(Jonsson)实验（1961） G Ni单晶 电 流 计 实验装置： U B K 发射电 子阴级 加 速 电 极 I 电流出现了周期性变化 实验结果： 实验表明，以一定方向投射到晶面上的电子束，只有具有某些特定速率时，才能准确地按照反射定律在晶面上反射。 实验结果与晶体对X射线的衍射情形是极其相似的。 由于一般光栅的光栅常数远大于X射线的波长，由光栅方程可知各级明纹对应的衍射角太小，难以分辨，故无法使用普通光栅观察X射线的衍射。 因原子间距约为10-10m，与X射线的波长同数量级，故天然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅。 1913年英国布拉格父子提出了一种解释Ｘ射线衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获诺贝尔物理学奖． 布 拉 格 反 射 入射波 反射波 晶格常数 ————布拉格公式 当 时各层面上的反射光相干加强， 形成亮点，为 k 级干涉主极大。 电子射线反射与X射线衍射的相似性有力地说明了电子具有波动性！ 不考虑电子的相对论效应，则 1927 年汤姆逊（G·P·Thomson）以600伏慢电子 （?=0.5?）射向铝箔，也得到了像X射线衍射一 样的衍射，再次发现了电子的波动性。 1937年戴维逊与GP汤姆逊共获当年诺贝尔奖 （G·P·Thomson为电子发现人J·J·Thmson的儿子） 尔后又发现了质子、中子的衍射 德布罗意获1929年诺贝尔物理奖。 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验 约恩逊(Jonsson)实验（1961） 约恩逊(Jonsson)直接做了电子双缝实验，在铜膜上刻出相距d=1?m，宽b=0.3?m的双缝。 单缝 双缝 三缝 四缝 电子双缝衍射实验： 7个电子 100个电子 底片上出现一个个的点子 →电子具有粒子性。 →来源于“一个电子”所具有的波动性， 而不是电子间相互作用的结果。 随着电子增多，逐渐形成衍射图样 3000 70000 20000 一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一个点物衍射图样的第一极小(另一个点物的艾里斑边缘)重合，作为光学成像系统的分辨极限，认为此时系统恰好可以分辨开两个点物。称此分辨标准为瑞利判据。 满足瑞利判据的两物点间的距离，就是光学仪器所能分辨的最小距离。 对透镜中心所张的角q 0 称为 最小分辨角。 θ0= 1.22?/D 光学仪器中将最小分辨角的倒数称为仪器的分辨本领。