6.3 波粒二象性 课件-2025-2026学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

第六章 波粒二象性 第3节 波粒二象性 兔子还是鸭子 桥、云还是船 光的本质是什么？ 一、光的波粒二象性 牛顿光的微粒说 光是实物粒子 光是振动形式在媒质的传播——波 光是电磁波 光是能量子即光子 惠更斯和托马斯·杨的光的波动说 到麦克斯韦的光的电磁理论 爱因斯坦的光子理论 人类对光的认识过程 光具有波粒二象性 传播的过程中，表现出波动性 波长较长时，表现出波动性 波长较短时，表现出粒子性 与物体相互作用时，表现出粒子性 光的粒子性和波动性是在不同条件下的表现 波 光的波动性 光的粒子性 光的粒子性和波动性是相对的 粒 7个电子 100个电子 3000 20000 一个一个电子依次入射双缝的衍射实验： 70000 体现了粒子性 体现了波动性 粒子出现的概率高 粒子出现的概率低 为了对光的本性做进一步的考察与分析,物理学家把屏换成感光底片,在不断变化光强的情况下,用短时间曝光的方法进行了光的双缝干涉实验(如图所示)。 不同光强下光的双缝干涉实验结果 当光很弱时,光是作为一个个粒子落在感光底片上的,显示出了光的粒子性;当光很强时,光与感光底片量子化的作用积累起来形成明暗相间的条纹,显示出了光的波动性。 光很弱时,感光底片上的图像与我们通常观察到光的双缝干涉的图像相差很远如图(a);增强光的强度,光的双缝干涉的图像变得清晰起来如图(b);当光较强时,得到的图像与我们通常观察到的光的双缝干涉图像一样如图(c)。这个实验说明了什么? 光的粒子性: 1.与物质发生作用时,表现出粒子的性质 2.少量或个别光子容易显示出粒子性 3.频率较大时,易显示粒子性 光的波动性: 1.在传播时,表现出波的性质 2.大量光子容易显示出波动性 3.频率较小时,波长较大，易显示波动性 光的粒子性和波动性是统一的，并不是独立存在的。 正确理解波粒二象性 光子波动性和粒子性的联系 普朗克常量 h 是联系光子粒子性和波动性的桥梁 ，可以得出： 二、德布罗意物质波假说 1924年，法国物理学家德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。 他提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。 德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。 德布罗意提出假设:实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系： 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长  称为德布罗意波长。 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 波动性 粒子性 一质量为m =1×10-2kg，速度υ = 3.0102m/s飞行的子弹，对应的德布罗意波长为： 电子m=9.110-31kg，由静止经100V电压加速， 对应的德布罗意波长为： 太小，无法观测到波动性 可能观察到电子的波动性 三、实物粒子波动性的实验证实 波的干涉 波的衍射 单缝宽 0.8mm 单缝宽 0.4mm 如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 电子束穿过铝箔后的衍射 X射线衍射 1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。 汤姆孙 戴维孙 实物粒子的衍射 实物粒子的干涉 大量电子的一次行为 1961年琼森（Claus Jönsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。 大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。 由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长 说明： 任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。 德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。一般宏观物体物质波的波长很短，波动性很不明显，难以观察到其衍射现象，如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。 　　物质波既不是机械波，也不是电磁波。1926年，德国物理学家玻恩提出了符合实验事实的统计解释，即物质波在某一地方的强度跟在该处找到它所代表的粒子的概率成正比。例如电子的衍射图样，有的地方强度增大，说明电子到达这里的概率大，从而到达这里的电子数目多；有的地方强度减小，是因为电子到达这里的概率小，相应地到达该处的电子数目也少，甚至少到接收器没有反应，强度就表现为零了。 概率波和经典波的差异 1.下列关于光的波粒二象性的说法正确的是(　　) A．一束传播的光，有的光是波，有的光是粒子 B．光波与机械波是同种波 C．光的波动性是由光子间的相互作用而形成的 D．光是一种波，同时也是一种粒子，光子说并未否定电磁说，在光子能量 ε＝hν 中，仍表现出波的特性 D 2.（多选）在光的单缝衍射实验中，在光屏上放上照相底片，并设法控制光的强度，尽可能使光子一个一个地通过狭缝，假设光子出现在中央亮纹的概率为90%，下列说法正确的是( ) A．第一个光子一定出现在中央亮纹上 B．第一个光子可能不出现在中央亮纹上 C．如果前9个光子均出现在中央亮纹上，则第10个光子还有可能出现在中央亮纹上 D．如果前9个光子均出现在中央亮纹上，则第10个光子一定不能出现在中央亮纹上 BC 3.根据物质波理论，下列说法正确的是（ ） A.微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B.宏观物体和微观粒子都具有波动性 C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长 D.速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为节明显 BD 1.光既有粒子性又有波动性，这种性质称为光的波粒二象性。由于干涉条纹是光子落在感光片各点概率分布的反应，光波也可以看做概率波。 2.实物粒子和光一样具有波粒二象性。 3.德布罗意波的波长： $