高中物理第四章波粒二象性第3节光的波粒二象性省公开课一等奖新名师获奖课件

第三节光波粒二象性1/49自主学习1．光是一个电磁波，含有波动性，含有干涉和衍射等波所特有性质．2．光子说：光不但在发射和吸收时是一份一份，而且光本身就是由一个个不可分割能量子组成，光子能量ε＝hν.3．康普顿效应(1)光散射：光子在介质中和物体微粒相互作用，使光传输方向发生偏转，这种现象叫光散射．(2)康普顿效应：X射线经物质散射后波长变长现象．2/494．光波粒二象性(1)光既含有波动性，又含有粒子性，即光含有波粒二象性．(2)光波动性证实：光能发生干涉、衍射和色散等波特有现象．(3)光粒子性证实：光在与其它物质相互作用时，能量和动量是以一份一份形式进行交换．光电效应现象和康普顿效应证实光含有粒子性．5．光子能量ε＝hν，动量p＝h/λ，两式左侧ε和p描述光粒子性，右侧ν和λ描述光波动性，两式把粒子性和波动性紧密地联络了起来．6．光是一个概率波在双缝干涉试验中，屏上亮纹地方，是光子抵达概率大地方，暗纹地方是光子抵达概率小地方．所以光波是一个概率波，即光波在某处强度代表着光子在该处出现概率大小.3/49问题：什么是康普顿效应？说明了什么？4/491.光散射光在介质中与物质微粒相互作用,因而传输方向发生改变,这种现象叫做光散射2.康普顿效应

1923年康普顿在做X射线经过物质散射试验时，发觉散射线中除有与入射线波长相同射线外，还有比入射线波长更长射线，其波长改变量与散射角相关，而与入射线波长和散射物质都无关。5/49一.康普顿散射试验装置与规律：晶体光阑X射线管探测器X射线谱仪石墨体(散射物质)j

0散射波长

6/49康普顿正在测晶体对X射线散射

按经典电磁理论：

假如入射X光是某种波长电磁波，散射光波长是不会改变！7/49康普顿散射曲线特点：1.除原波长

0外出现了移向长波方向新散射波长

。2.新波长

随散射角增大而增大。散射中出现

≠

0现象，称为康普顿散射。波长偏移为=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波长.......

0

8/49称为电子Compton波长只有当入射波长

0与

c可比拟时，康普顿效应才显著，所以要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。波长偏移只与散射角

相关，而与散射物质种类及入射X射线波长

0无关，

c=0.0241Å=2.4110-3nm（试验值）9/49碰到困难经典电磁理论在解释康普顿效应时2.无法解释波长改变和散射角关系。射光频率应等于入射光频率。其频率等于入射光频率，所以它所发射散过物质时，物质中带电粒子将作受迫振动，1.依据经典电磁波理论，当电磁波通10/49光子理论对康普顿效应解释康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞子能量几乎不变，波长不变。小于原子质量，依据碰撞理论，碰撞前后光光子将与整个原子交换能量,因为光子质量远2.若光子和束缚很紧内层电子相碰撞，是散射光波长大于入射光波长。部分能量传给电子,散射光子能量降低，于1.若光子和外层电子相碰撞，光子有一结果，详细解释以下：11/493.因为碰撞中交换能量和碰撞角度相关，所以波长改变和散射角相关。光子理论对康普顿效应解释12/49三.康普顿散射试验意义（1）有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设；（2）首次在试验上证实了“光子含有动量”

假设；（3）证实了在微观世界单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律依然是成立。康普顿成功也不是一帆风顺，在他早期几篇论文中，一直认为散射光频率改变是因为“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，以后才认识到还要用动量守恒。康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。13/49康普顿效应康普顿效应康普顿,1927年获诺贝尔物理学奖(1892-1962)美国物理学家192714/491925—1926年，吴有训用银X射线(

0=5.62nm)为入射线,以15种轻重不一样元素为散射物质，四、吴有训对研究康普顿效应贡献1923年,参加了发觉康普顿效应研究工作.对证实康普顿效应作出了主要贡献。在同一散射角()测量各种波长散射光强度，作了大量X射线散射试验。（1897-1977）吴有训15/49例、康普顿效应证实了光子不但含有能量，也有动量.图给出了光子与静止电子碰撞后，电子运动方向，则碰撞后光子可能沿方向________运动，而且波长______(填“不变”“变短”或“变长”).16/49解析

因光子与电子碰撞过程动量守恒，所以碰撞后光子和电子总动量方向与光子碰撞前动量方向一致，可见碰撞后光子运动方向可能沿1方向，不可能沿2或3方向；经过碰撞，光子将一部分能量转移给电子，光子能量降低，由ε＝hν知，频率变小，再依据c＝λν知，波长变长.答案

1变长17/49光子能量和动量18/49动量能量是描述粒子,频率和波长则是用来描述波19/49问题：什么是光波粒二象性？20/49一、德布罗意物质波德布罗意(duedeBroglie,1892-1960)德布罗意原来学习历史，以后改学理论物理学。他善于用历史观点，用对比方法分析问题。1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文《关于量子理论研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射试验想法。爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想重大意义，誉之为“揭开一幅大幕一角”。法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖取得者，波动力学创始人，量子力学奠基人之一。21/49能量为E、动量为p粒子与频率为v、波长为

波相联络，并遵从以下关系：E=mc2=hv这种和实物粒子相联络波称为德布罗意波(物质波或概率波),其波长

称为德布罗意波长。22/49一切实物粒子都有波动性

以后，大量试验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都含有波动性，并都满足德布洛意关系。一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？：质量m=0.01kg，速度v=300m/s子弹德布洛意波长为计算结果表明，子弹波长小到试验难以测量程度。所以，宏观物体只表现出粒子性。23/49由光波粒二象性思想推广到微观粒子和任何运动着物体上去，得出物质波（德布罗意波）概念：任何一个运动着物体都有一个波与它对应，该波波长λ=。【例1】试估算一个中学生在跑百米时德布罗意波波长。解：预计一个中学生质量m≈50kg，百米跑时速度v≈7m/s，则由计算结果看出，宏观物体物质波波长非常小，所以极难表现出其波动性。24/49例题2

(1)电子动能Ek=100eV；(2)子弹动量p=6.63×106kg.m.s-1,求德布罗意波长。解(1)因电子动能较小，速度较小，可用非相对论公式求解。=1.23Å(2)子弹:h=6.63×10-34=1.0×10-40m可见，只有微观粒子波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)波动性根本测不出来。25/49一个质量为m实物粒子以速率v运动时，即含有以能量E和动量P所描述粒子性，同时也含有以频率n和波长l所描述波动性。德布罗意关系如速度v=5.0102m/s飞行子弹，质量为m=10-2Kg，对应德布罗意波长为：如电子m=9.1

10-31Kg，速度v=5.0107m/s,对应德布罗意波长为：太小测不到！X射线波段26/492、戴维逊－革末试验1927年，Davisson和Germer进行了电子衍射试验。

（该试验荣获1937年Nobel物理学奖）戴维逊--革末试验电子衍射试验电子束垂直入射到镍单晶水平面上，在散射方向上探测到一个强度极大。（可用晶体对X射线衍射方法来分析）27/49L.V.德布罗意电子波动性理论研究1929诺贝尔物理学奖28/49C.J.戴维孙经过试验发觉晶体对电子衍射作用1937诺贝尔物理学奖29/4930/4931/4932/49X射线经晶体衍射图电子射线经晶体衍射图33/49类似试验：

1927年，汤姆逊电子衍射试验1960年，C.Jonson电子双缝干涉试验

以后试验证实原子、分子、中子等微观粒子也含有波动性。

德布罗意公式成为揭示微观粒子波－粒二象性统一性基本公式，1929年，DeBroglie因发觉电子波而荣获Nobel物理学奖。34/49电子显微镜35/4936/49

电子双缝衍射

1)用足够强电子束进行双缝衍射

——

出现了明暗相间衍射条纹，表达电子波动性——衍射条纹掩饰了电子粒子性未能表达电子在空间分布概率性质

——得到结果与光双缝衍射结果一样

37/492)用非常弱电子束进行双缝衍射

——单个电子运动方向是完全不确定__含有概率分布一定条件下，电子运动方向概率含有确定规律

——开始电子打在屏幕上位置是任意伴随时间推移，电子含有稳定分布出现清楚衍射条纹__和强电子束在短时间形成一样

38/49

物质波不是经典波——经典波是介质中质元共同振动形成双缝衍射中表达为不论电子强度多么弱屏幕上出现是强弱连续分布衍射条纹——实际上在电子强度弱情形中电子在屏幕上分布是随机，完全不确定

39/49

微观粒子不是经典粒子——

经典粒子双缝衍射——

子弹能够看作是经典粒子假想用机关枪扫射双缝A和B，屏幕C搜集子弹数目40/491)将狭缝B挡住——子弹经过A在屏幕C上有一定分布——类似于单缝衍射中央主极大P1——子弹落在中央主极大范围概率分布41/492)将狭缝A挡住——子弹经过狭缝B在屏幕C上有一定分布——类似于单缝衍射中央主极大P2——子弹落在中央主极大范围概率分布42/493)A和B狭缝同时打开——

子弹是经典粒子原来经过A狭缝子弹——还是经过A原来经过B狭缝子弹——还是经过B屏幕C上子弹概率分布不因两个狭缝同时打开每颗子弹会有新选择！43/49——

电子双缝衍射——

电子枪发射出电子，在屏幕P上观察电子数目1)将狭缝B挡住——

电子经过狭缝A

在屏幕C有一定分布——类似于单缝衍射中央主极大44/492)将狭缝A挡住——电子经过狭缝B在屏幕C上有一定分布类似于单缝衍射中央主极大45/493）A和B狭缝同时打开——假如电子是经典粒子原来经过A狭缝电子——还是经过A原来经过B狭缝电子——还是经过B屏幕上电子概率分布46/49屏幕C——