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量子2008级05德布罗意波实物粒子的二象性gxj.PPTVIP

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* 第十六章 量子物理 16 - 4德布罗意波 实物粒子的二象性 * * 引言:半经典半量子的玻尔理论存在局限,看来是建立新理论的候了,但新理论的实验基础是什么呢? 一)光的波粒二象性、德布罗意假设 19 世纪后半期,电磁理论成功地解释了光 的干涉、衍射、偏振等现象,建立了光的波动图象;但到了二十世纪初,人们为解释热辐射、光电效应、康普顿效应,又不得不将光当作微粒来处理。 尤其爱因斯坦提出了光子的概念, 建立了E=h?的关系后,更使人认识到光是具 有波粒二象性的东西。 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--是指它具有集中的不可分割的性质。 一颗光子就是集中的不可分割的一颗,它 具有能量( 、 )、动量、与质量。 Z X Y 光子 波动 如此截然不同的图象却集中于一体,很难想象! 光的波粒二象性引起了法国Lous De Broglie的思考 ,---世界真奇妙 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 而忽咯了它们的波的图象呢!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: De Broglie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。 注意:这一假设建立了对实物粒子的一种新的图象,这种图象既允许它表现微粒性,又允许它表现出波动性。这种波称为“物质波”或“德布罗意波”。 De Broglie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。 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, 爱因斯坦称赞他“揭开了巨大帷幕的一角”才引起学术 界的重视,并研究如何从实验上去验证。 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”。 但什么是德布罗意波呢?---不到火候不揭锅! 二)德布罗意关系式 德布罗意关系式是对光的波粒二象性的推广 光的波粒二象性 粒子性 波动性 (具有能量) (具有频率) (具有动量) (具有波长) h 二者通过 h来联系 推广: 实物粒子也具有波粒二象性,设质量为m 以匀速运动的粒子也具有频率?,波长?。 推 广 实物粒子也具有波粒二象性,设质量为m以匀速运 动的粒子也具有频率?,波长?。 光的波粒二象性 粒子性 波动性 (具有能量) (具有频率) (具有动量) (具有波长) h 二者通过h来联系 h 粒子性 波动性 二者通过h来联系 德布罗意公式 2)宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度,因此宏观物体仅表现出粒子性 . 注 意 1)若 则 若 则 例 在一束电子中,电子的动能为 ,求此电子的德布罗意波长 ? 解 此波长的数量级与 X 射线波长的数量级相当. 若U=150V,电子对应的德布罗意波长: 例2:子弹m=10-2 kg,速度V=5.0?102m/s , 对应的德布罗意波长: 太小测不到! 电子在电压U的加速下: 例3 从德布罗意波导出氢原子波尔理论中角动量量子化条件. 解 两端固定的弦,若其长度等于波长则可形成稳定的驻波. 将弦弯曲成圆时 电子绕核运动其德布罗意波长为: 角动量量子化条件: 48个Fe原子形成“量子围栏”, 围栏中的电子形成驻波. 二 德布罗意波的实验证明 1 戴维孙 — 革末电子衍射实验(1927年) 1923年Clnton Davisson发表了慢电子从铂片反射的角分布实验情况,他发现弹性反射电子束强度在某些角度出现了极大值。玻恩(Born)认为是一种干涉现象,可能与德布罗意波有关,这引起了戴维逊和革末(Lester Germer)继续对慢电子在镍单晶表面散射进行研究。 G Ni单晶 电 流 计 实验装置: U M B K 发射电 子阴级 加 速 电 极 电流出现了周期性变化 实验结果: I 实验解释: 将电子看成波,其波长为德布罗意波长: 显然将电子看成微粒无法解释。 既然是波,电流出现最大值时正好满足布喇格公式: 即: 实验表明电流最大

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