14.2-14.3 波粒二象性 原理结构的量子力学模型 课件-2023-2024学年高二下学期物理物理沪科版（2020）选择性必修第三册

第十四章 微观粒子的波粒二象性 第二、三节 波粒二象性 原理结构的量子力学模型 选修系列 金山世外普高综合大组 Kimmy 2023年8月30日 一、关于光的本质 “波动” 说 “微粒” 说 英国 牛顿 1643-1727 英国 惠更斯 1629-1695 1678年提出光的波动理论，后人菲涅耳对惠更斯的光学理论作了发展和补充，创立了“惠更斯--菲涅耳原理”。解释了光的衍射现象。 1666年提出光的微粒说。解释了光的反射和折射现象。但是无法解释光的衍射现象。 2 一、关于光的本质 “波动” 说 惠更斯波动理论的示意图 3 一、关于光的本质 托马斯·杨 英国 1773—1829 屏 双缝 S1 S2 单色光 杨氏双缝干涉实验（侧视图） 1801年进行了著名的杨氏双缝实验，发现了光的干涉性质，证明光以波动形式存在，而不是牛顿所想象的光颗粒），该实验被评为“物理最美实验”之一。 明暗相间等间距的条纹 “波动” 说 4 一、关于光的本质 夫琅禾费单缝衍射 边缘衍射 圆孔衍射 泊松亮斑 “波动” 说 一、关于光的本质 麦克斯韦 英国 1831-1879 赫兹 德国 1857-1894 1864年提出电磁理论（麦克斯韦方程组）。1865年他预言了电磁波的存在。 1888年实验验证了电磁波的存在。发现电磁波具有偏振，并且电磁波的速度等于光速。 但是他发现的光电效应，成为了“隐患”。 “波动” 说 美国 爱因斯坦 1879-1955 美国 密立根 1868-1953 解释 提出 1905年正式提出光子假说，发表光电效应方程 hν − W逸 = Ekm 实验证明 一、关于光的本质 “微粒” 说 7 一、关于光的本质 康普顿 美国 1892-1962 1823年康普顿发现了康普顿效应。康普顿和吴有训发现了X射线经石墨散射后，有部分光线的频率发生了变化。 吴有训 中国 1897-1977 按照经典理论，频率仅仅取决于波源，电磁波的反射、折射、干涉和衍射不会改变波长。 hν，p，E θ α hν' ，p' ，E' 动量守恒 能量守恒 光是粒子 具有能量 也有动量 pe' ，Ee' “微粒” 说 一、关于光的本质 (a) 单帧 (b) 200 帧叠加 (c) 1 000 帧叠加 (d) 50 000 帧叠加 实验中，激光光源的强度被调节得很弱，以至于每次只有一个光子通过双缝装置。 “微粒” 说 二、波粒二象性 法国 德布罗意 1892—1987 “……在整整几个世纪的长时间里，当谈论关于光的理论时，人们过分地倾向千用波的概念而忽视微粒概念，那么在谈论物质的理论时，人们是否叉犯了与此相反的错误呢？………” 碰撞中的动量 狭义相对论质能方程 能量子 波长和频率的关系 二、波粒二象性 法国 德布罗意 1892—1987 1924年他认为：“任何物质都伴随有波，而且不可能将物体的运动与波的传播分开。”这就是最初的“波粒二象性”思想。就是说，光既有波动性，又有粒子性。 代表波动性的频率 ν 和波长 λ 通过普朗克常量 h 分别与代表粒子性的能量 E 和动量 p 联系起来，普朗克常量 h 成为粒子性和波动性之间的桥梁。 二、波粒二象性 法国 德布罗意 1892—1987 既然电磁波具有粒子的属性，那么根据对称性的思想，实物粒子是否也具有波动的属性呢？ 他认为，一切运动的微观粒子的波长和动量都满足德布罗意波长公式，人们将这种波称为物质波。 电子电荷量大小为 1.60×10−19 C，质量为 9.1×10−31 kg。利用实物粒子波长与动量的关系计算静止电子经 200 V 电压加速后的波长。普朗克常数h=6.626×10−34 J·s。 二、波粒二象性 6 V 50 kV θ 0 V 阴极 阳极 金属多晶体 荧光屏 （a）电子经单晶体衍射的图样 （b）电子经多晶体衍射的图样 （c）G. P. 汤姆孙电子衍射装置示意图 1925年，美国物理学家戴维孙和他的助手第一次在实验中观察到能量为几十电子伏的电子经镍单晶体衍射的图样 （a）。 1927 年，英国物理学家 G. P. 汤姆孙和他的同事利用如图（c）所示的装置，通过阴极和阳极之间几万伏的高电压，对灯丝发热后发射出来的电子加速，得到这些电子经金属多晶体衍射的图样（b）。 二、波粒二象性 电子双缝干涉装置示意图 电子双缝干涉图样 1961 年，德国科学家将托马斯·杨的双缝实验进行改造，直接做了电子双缝干涉实验，从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片。 电子的衍射现象无可辩驳地证明了电子具有波动性，同时也表明了物质波假说对于微观粒子的普适性。 如今，一切物质都具有波粒二象性的观点成为物理学界的共识。 三、量子力学的建立 奥地利 薛定谔 1887—1961 1926年薛定谔建立了物质波