文档介绍：第五节
实物粒子的波粒二象性
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前言
玻尔理论是经典与量子的混合物,不是一个自洽的理论体系。它保留了经典的确定性轨道,另一方面假定量子化条件来限制电子的运动。它不能解释稍微复杂的问题,正是这些困难,迎来了物理学的大革命。
玻尔理论成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。为人们认识微观世界和建立近代量子理论打下了基础。
玻尔理论没有彻底摆脱经典理论束缚,仍保留质点沿轨道运动的经典概念,但它却把体现粒子性的物理量和体现波动性的物理量联系起来了,这对后来量子力学的建立起了作用。
半经典半量子的玻尔理论存在局限,看来是建立新理论的时候了,但新理论的实验基础是什么呢?
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德布罗意(Louis Victor Pierre Raymond, 7e duc de Broglie 1892-1987)
德布罗意原来学****历史,后来改学理论物理学。他善于用历史的观点,用对比的方法分析问题。
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《关于量子理论的研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。
爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义,誉之为“揭开一幅大幕的一角”。
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。
他的哥哥莫里斯·德布罗意是法国的实验物理学家,他是康普顿实验粒子解释的热情支持者。
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思想方法自然界在许多方面都是明显地对称的,他采用类比的方法提出物质波的假设。
“整个世纪以来,在辐射理论上,比起波动的研究方法来,是过于忽略了粒子的研究方法; 在实物理论上,是否发生了相反的错误呢? 是不是我们关于‘粒子’的图象想得太多,而过分地忽略了波的图象呢?”
After the end of World War I, I gave a great deal of thought to the theory of quanta
and to the wave-particle dualism.…It was then that I had a sudden inspiration.
Einstein's wave-particle dualism was absolutely general phenomenon extending to
all physical nature. ————Louis de Broglie 《New Perspectives in Physics》
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波粒二象性
波动性: 干涉、衍射
矛盾
光是波: 为什么一份一份的传递能量?
光是粒子: 为什么会有波长和频率?
粒子性: 光电效应、康普顿散射
用白光作为光源时,杨氏双缝干涉的彩色条纹
光子逐个通过双缝撞击胶片形成的图样(a)14个光子,(b)数百个光子
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布拉格父子
亨利·布拉格
父亲亨利·布拉格(左,1862~1942)和儿子劳伦斯·布拉格(右,1890~1970)分享了1915年的诺贝尔物理学奖。
威廉·布拉格(William Bragg)和他儿子一起,因为利用X射线研究晶体结构的工作,获得了1915年的诺贝尔奖。他曾经把这一物理学上的困难描述为:他曾经不得不绝望地向大家宣布,每周的星期一、三、五他讲授光的粒子学说,而星期二、四、六却要讲授光的波动学术!
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一、德布罗意物质波的假设
1923年,德布罗意最早想到了这个问题,并且大胆地设想,人们对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。
光具有粒子性,又具有波动性。
光子能量和动量为
上面两式左边是描写粒子性的 E、P;右边是描写波动性的、。 h 将光的粒子性与波动性联系起来。
实物粒子:静止质量不为零的那些微观粒子。
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
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实物粒子的波粒二象性的意思是:微观粒子既表现出粒子的特性,又表现出波动的特性。
粒子性:主要是指它具有集中的不可分割的特性。
波动性:是指周期性地传播、运动着的场。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。
实物粒子的波称为德布罗意波或物质波,物质波的波长称为德布罗意波长。
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(1924年)
假设: 实物粒子(原子、电子)具有波粒二象性。
波动性( , v)
粒子性(m , p)
光
+
+
实物粒子
?
+
频率
波长
电子的波粒二象性
研究光:忽略了粒子性
研究实物粒子:是否忽略了波动性?
德布罗意受爱因斯坦光量子假说的启发,认为在物质和辐射之间,应该存在着某种对称性。
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电子的物质波沿轨道传播,当电子轨道周