物质波的提出和证实.ppt

四 物质波（高中第三册P.5152）,物理学把物质分为两大类，一类是质子、电子等，称做实物，另一类是电场、磁场等，统称场。光是传播着的电磁场。既然光具有粒子性，那么，质子、电子，以至原子、分子等实物粒子是否会在一定的条件下表现出波动性？1924年，法国物理学家德布罗意（1892-1987）在他的博士论文里大胆地做了肯定睥回答。,德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，波长 是 式中 是运动物体的动量， 是普朗克常量。人们把这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。 （当时，德布罗意的论断只是一种假设。后来，基于这种假设的结论都与事实相符，于是证明人这种论断的正确性。）,宏观物体的德布罗意波长比微观粒子的波长小得多。我们知道，只有波长和障碍物的大小相差不多，或波长在在于障碍物时，才能表现出明显的衍射现象。由于宏观物体的太小，所以很难观察到它们的波动性。但是，微观粒子的情形完全不同。金属晶体中晶格大小的数量级为 ，电子束照射到金属晶体上时有楞能观察到电子的波动性。 1927年，英美两国物理学家用这种方法得到了电子束的衍射图案，从而证实了德布罗意的假设。,物质波也是概率波。在电子衍射图样中，电子落在“亮圆”上的概率大，落在“暗圆”上的概率小。我们说光波和物质波都有是概率波，说的是光子和实物粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的。 牛顿力学的局限性 由于实物粒子也具有波动性，所以如果它们的德布罗意波长和可见光相仿，实物粒子在通过狭缝时也能发生类似的干涉图样。,思考题,1、 2、,物质波的提出和证实,一、物质波的提出 二、物质波理论的实验证实 三、物质波的应用,德布罗意 (Louis Victor de Broglie, 1892-1987)，法国著名理论物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子力学的奠基人之一 ,一、物质波的提出,德布罗意1892年8月15日出生于法国塞纳河畔的蒂厄浦，是法国一贵族家庭的次子德布罗意家族自17世纪以来在法国军队、政治、外交方面颇具盛名 德布罗意从18岁开始在巴黎大学学习理论物理，但是因为打算沿其家族传统，以后从事外交活动，他也学习历史，并且于1909年获得历史学位由于他哥哥（M德布罗意）是一位实验物理学家，拥有设备精良的私人实验室，从事物理实验研究因而德布罗意也深受影响,在德布罗意之前，人们对自然界的认识，只局限于两种基本的物质类型：实物和场前者由原子、电子等粒子构成，光则属于后者但是，许多实验结果之间出现了难以解释的矛盾（人们认识到光的波粒二象性另一方面，在关于原子结构的研究中，把原子中的电子看作粒子，并人为地引入量子化条件，虽然获得了解释线光谱的成功，但在概念上和在解决一些细致的涉及原子结构的问题上却都遇到了很大的困难）物理学家们相信，这些表面上的矛盾，势必有其深刻的根源,1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，人们对于光子建立起来的两个关系式会不会也适用于实物粒子 对光本性的认识同时，受到他哥哥的影响，参与一些物理研究工作从他哥哥那里德布罗意了解到普朗克和爱因斯坦关于量子方面的工作，这些引起了他对物理学的极大兴趣经过一翻思想斗争之后，德布罗意终于放弃了已决定的研究法国历史的计划，选择了物理学的研究道路，并且希望通过物理学研究获得博士学位,德布罗意开始研究物理学时，适逢现代物理学发生深刻革命的时期1900年，普朗克研究黑体辐射时假定谐振子取分立的能量，提出量子的概念，由此出发，他推导出能够描述黑体辐射规律的普朗克黑体辐射公式 但是，人们并没有认识能量子的重要性，只把能量子看作仅仅是在支配物质和辐射相互作用过程中是合适的，频率为v的物质振子仅仅以hv的倍数发射或吸收能量直到1905年，量子概念才发生了重要发展,1905年，爱因斯坦发表了题为关于光的产生和转化的一个启发性观点的论文，文中通过对黑体辐射的研究和论证，得到并提出了光量子的概念，并用它成功地解释了光电效应,这一工作的意义之一在于，光量子的概念是在分析和研究黑体辐射基础上得到的，表明量子概念具有比较普遍的意义爱因斯坦认为：密度小的单色辐射，从其热现象方面的行为看，仿佛是由一些独立的能量所组成,二十世纪初期，人们通过对X射线的研究认识到，X射线具有时而象波、时而象粒子的奇特性质 1913年，玻尔提出原子中的电子运动的量子化条件，原子中的电子只有可能进行某些运动，成功地解释了氢原子光谱玻尔的量子化条件没有理论基础，是人为规定的,19191922年，法国物理学家布里渊提出了一个解释玻尔量于化条件的理论布里渊把电子和波作为一个整体进行研究，设想在原子核周围存在着一层以太，电子在其中运动掀起波，这些波相互干涉在原子核周围形成驻波这些研究成果，尤其是布里渊的理论对德布罗意提出物质波思想产生巨大影响,德布罗意重新开始研究理论物理，物理学面临着的主要困难是：对于光需要有微粒说和波动说两种理论；确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，这些都是当时人们无法理解的事实德布罗意首先考察光量子理论和玻尔的量子化条件确定光微粒能量的表达式是Ehv，这个公式中包含着频率v，而纯粹的粒子理论不包含频率的因素；确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而物理学中涉及到整数的只是干涉现象和本征振动现象,这些结果使德布罗意想到，对于光需要同时引进粒子的概念和周期的概念；对于电子不能简单地用微粒来描述电子本身，还必须赋予它们周期的概念于是，德布罗意形成了指导他进行研究的全部概念：在所有情况下，都必须假设微粒伴随着波而存在，他的首要目的就是建立微粒的运动和缔合波的传播之间的对应关系 1923年夏末，德布罗意已开始形成他的相波（后来他称为相位波）概念，9月10日，他发表了关于物质波理论的第一篇论文 波和量子，文中提出的思想可以被看作是波动力学理论的开端,两个星期后，德布罗意又发表了光量子、衍射和干涉的论文，明确提出相干波的概念文中明确指出：要描述一个动点的运动，观察者必须将这一运动与一个非物质的、在同一方向上传播的正弦波联系起来在观察者看来，这一波的频率等于上述动点的总能量除以普朗克常量h同年10月8日，德布罗意发表关于物质波理论的第三篇论文量子、气体运动理论以及费马原理文中阐述了波与粒子的对应关系，他假定与任何粒子相联系的相波，在空间任何点与粒子同相位相波的频率与速度由粒子的能量和速度所决定,德布罗意的这三篇论文是物质波理论奠基工作的开端继这三篇论文之后，德布罗意着手撰写他的博士论文量子理论的研究1924年11月，德布罗意通过论文答辩，获博士学位他的博士论文包括了近两年研究的一些成果，比较系统地论述了物质波理论，得到物质波的一些重要结果德布罗意认为，任何运动着的物体都伴随着一种波动，而且不可能将物体的运动和波的传播分开，这种波称为相位波存在相位波是物体的能量和动量同时满足量子条件和相对论关系的必然结果,德布罗意大胆地提出了物质波假设，动量 （m为质量，v为速度）的粒子与一个波长为 的波动有着 的关系这个关系后来被称为德布罗意关系，与粒子相联系的这种波称为德布罗意波,二、物质波理论的实验证实,德布罗意撰写论文时，他的哥哥（M.德布罗意）建议他的论文应包括实验部分，可是他没有采纳这个建议他的物质波理论是在没有得到任何已知事实支持的情况下提出来的，这就使得答辩委员会对物质波的真实性存在疑虑，答辩委员会主席佩兰就提出了物质波如何用实验来证实的问题对佩兰的提问，德布罗意回答：用晶体对电子的衍射实验验证物质波的存在是可能的,德布罗意的这个思想是早已形成的，他曾在1923年9月24日光量子、衍射和干涉一文中指出：从很小的孔穿过的电子束，可能产生衍射现象，这也许会成为在实验上验证物质具有波粒二象性的方法他还曾向他哥哥的同事道维里叶提出做电子的衍射实验，后者因忙于其它实验而将其搁置,按照德布罗意理论，经过几千伏加速电压的电子束，其波长数量级为10-10米，这与X射线的波长是同一个数量级，因而可以用晶体对电子的衍射实验验证物质波 德布罗意的理论一传到美国，就在纽约开始了显示电子衍射的实验,（1） 1927年戴维孙和革末以加速后电子投射到镍晶体上进行电子衍射实验, d=0.091nm(晶面间距),电子对晶面的掠射角 由布拉格方程： 对应k=1一级衍射最大：=0.165nm, 因为 德布罗意公式:,两者结果惊人相似，戴维孙和革末实验证实了德布罗意波,（2） G.P.汤姆逊电子衍射实验 1927年 G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊之子） 也独立完成了电子衍射实验与 C.J.戴维森共获 1937 年诺贝尔物理学奖,物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明 第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡（ERuska）研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖 从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2 m，最大放大倍数也只有1000倍左右 自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜,三、物质波的应用,自从1895年伦琴(Rontgen，18451923)发现X射线以后，对X射线的研究就成了一个非常热门的课题据X射线与射线及射线从放射性原子中射出，以及X射线通过气体时具有电离气体的能力等性质来判断，X射线显然是一种粒子流1911年，布拉格(WHBragg，18621942)在一篇题为射线、X射线粒子假设的结论和射线的种类的论文中写道：“一束X射线为一束射线提供能量；同样，在X射线管中，一束射线激发一束X射线次级射线的速率是与X射线通过的距离无关的，因此X射线的能量在运动中不会扩散，这就是说，这是一种