高中物理：第17章《波粒二象性》課件(新人教版 選修35)

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1、高中物理新人教版選修- 5系列課件第十七章波粒二象性17.1能量量子化：物理學(xué)的新紀(jì)元教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能：、知識(shí)與技能：（1）了解什么是熱輻射及熱輻射的特性，了解黑體與黑體輻射 （2）了解黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，了解黑體熱輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系（3）了解能量子的概念 2、過(guò)程與方法：、過(guò)程與方法： 了解微觀世界中的量子化現(xiàn)象。比較宏觀物體和微觀粒子的能量變化特點(diǎn)。體會(huì)量子論的建立深化了人們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)】 1

2、、重點(diǎn)、重點(diǎn): 能量子的概念 2、難點(diǎn)、難點(diǎn): 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律17世紀(jì)明確形成了兩大對(duì)立學(xué)說(shuō)牛頓牛頓惠更斯惠更斯微粒說(shuō)波動(dòng)說(shuō)19世紀(jì)初證明了波動(dòng)說(shuō)的正確性由于波動(dòng)說(shuō)沒(méi)有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及牛頓的威望使得微粒說(shuō)一直占上風(fēng)19世紀(jì)末光電效應(yīng)現(xiàn)象使得愛(ài)因斯坦在20世紀(jì)初提出了光子說(shuō)：光具有粒子性對(duì)光學(xué)的研究從很早就開始了 能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元能量量子化；物理學(xué)的新紀(jì)元1、黑體與黑體輻射、黑體與黑體輻射熱輻射熱輻射 固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波固體或液體，在任何溫度下都在發(fā)射各種波長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到長(zhǎng)的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為

3、激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射熱輻射。所輻射電。所輻射電磁波的特征與磁波的特征與溫度溫度有關(guān)。有關(guān)。固體在溫度升高時(shí)顏色的變固體在溫度升高時(shí)顏色的變化化1400K800K1000K1200K 能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反能全部吸收各種波長(zhǎng)的輻射能而不發(fā)生反射，折射和透射的物體稱為射，折射和透射的物體稱為絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體。簡(jiǎn)稱黑。簡(jiǎn)稱黑體體 不透明的材料制成帶小孔的的空腔不透明的材料制成帶小孔的的空腔, ,可近似看可近似看作作黑體黑體。黑體模型黑體模型 研究黑體輻射的研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。2. 2. 黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律黑體輻

4、射實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置T平行光管平行光管三棱鏡三棱鏡T0 1 2 3 4 5 6(m)1700K1500K1300K1100K),(0Te 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果o實(shí)驗(yàn)值/m)(0TM維恩線維恩線瑞利瑞利-金斯線金斯線紫紫外外災(zāi)災(zāi)難難普普朗朗克克線線123456783.3.能量子能量子 超越牛頓的發(fā)現(xiàn)超越牛頓的發(fā)現(xiàn)=h輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，輻射黑體分子、原子的振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所狀態(tài)中，諧振子的

5、能量并不象經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：（稱為能量子）的整數(shù)倍，即：, 1 , 2 , 3 , . n . n為正整數(shù)，稱為為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。量子數(shù)。能量能量量子量子經(jīng)典經(jīng)典h=6.626*10-34J.s(m)1 2 3 5 6 8 947普朗克普朗克實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值),(0Te 17.2科學(xué)的轉(zhuǎn)折：光的粒子性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 知識(shí)與技能：知識(shí)與技能： 1通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。2知道愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義。3了解康普頓效應(yīng)，了解光子的動(dòng)量過(guò)程與方法：過(guò)程與方法： 經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程

6、，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：、重點(diǎn)：光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 2、難點(diǎn)：、難點(diǎn)：愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程以及意義物理難題：物理難題：1888年，霍瓦年，霍瓦(Hallwachs)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電一充負(fù)電的金屬板被紫外光照射會(huì)放電。近近10年以后，因?yàn)槟暌院?，因?yàn)?897年年，J.Thomson才才發(fā)現(xiàn)電子發(fā)現(xiàn)電子 ，此時(shí)，此時(shí)，人們認(rèn)識(shí)到那就是從金人們認(rèn)

7、識(shí)到那就是從金屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱屬表面射出的電子，后來(lái)，這些電子被稱作光電子作光電子(photoelectron)，相應(yīng)的效應(yīng)叫做相應(yīng)的效應(yīng)叫做光電效應(yīng)光電效應(yīng)。人們本著對(duì)光的完美理論（光。人們本著對(duì)光的完美理論（光的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什的波動(dòng)性、電磁理論）進(jìn)行解釋會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果？么結(jié)果？ 第1課時(shí)光電效應(yīng) 光子問(wèn)題問(wèn)題1：回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)回顧前面的學(xué)習(xí)，總結(jié)人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程？過(guò)程？用弧光燈照射擦得很亮的鋅板，(注意用導(dǎo)線與不帶電的驗(yàn)電器相連），使驗(yàn)電 器張角增大到約為 30度時(shí)，再用與絲綢磨擦過(guò)的玻璃棒去靠近鋅板，則

8、驗(yàn)電器的指針張角會(huì)變大。一、光電效應(yīng)現(xiàn)象一、光電效應(yīng)現(xiàn)象表明鋅板在射線照射下失去電子而帶正電定義：定義：在光(包括不可見(jiàn)光)的照射下，從物體發(fā)射電子的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子叫做光電子1.1.什么是光電效應(yīng)什么是光電效應(yīng) 當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬當(dāng)光線照射在金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。中有電子逸出的現(xiàn)象，稱為光電效應(yīng)。逸出的電子稱為光電子逸出的電子稱為光電子。AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極W石英窗石英窗 光線經(jīng)石英窗照在陰極上，光線經(jīng)石英窗照在陰極上，便有電子逸出便有電子逸出-光電子光電子。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。光電子在電場(chǎng)作用下形成光電流。2.2.光電效應(yīng)

9、的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1. 1. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極 將換向開關(guān)反接，電場(chǎng)反向，將換向開關(guān)反接，電場(chǎng)反向，則光電子離開陰極后將受反向電則光電子離開陰極后將受反向電場(chǎng)阻礙作用。場(chǎng)阻礙作用。 當(dāng)當(dāng) K K、A A 間加反向電壓，光間加反向電壓，光電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)電子克服電場(chǎng)力作功，當(dāng)電壓達(dá)到某一值到某一值 U Uc c 時(shí)，光電流恰為時(shí)，光電流恰為0 0。 U Uc c稱稱遏止電壓遏止電壓。221cevmceU遏止電壓遏止電壓IUcOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏遏止止電電壓壓 一、

10、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極IIsUaOU光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 強(qiáng)強(qiáng)光光 強(qiáng)強(qiáng) 較較 弱弱光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)伏安特性曲線光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置遏遏止止電電壓壓飽飽和和電電流流 一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律AKGV陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極AGVK陽(yáng)陽(yáng)極極陰陰極極W石英石英窗窗2. 2. 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律. .光電流與光強(qiáng)的關(guān)系光電流與光強(qiáng)的關(guān)系飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。. .截止頻率截止頻率c -極限頻率極限頻率對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確對(duì)于每種金屬材料，都相應(yīng)的有一確定的

11、截止頻率定的截止頻率c 。 當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c 時(shí)，電子才能逸時(shí)，電子才能逸出金屬表面；出金屬表面；當(dāng)入射光頻率當(dāng)入射光頻率 c時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)多大也無(wú)電子逸出金屬表面。屬表面。光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電逸出所需光電效應(yīng)是瞬時(shí)的。從光開始照射到光電逸出所需時(shí)間時(shí)間 10-9s。經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)典理論無(wú)法解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 經(jīng)典認(rèn)為，經(jīng)典認(rèn)為，按照經(jīng)典電磁理論，入按照經(jīng)典電磁理論，入射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的射光的光強(qiáng)越大，光波的電場(chǎng)強(qiáng)度的振幅也越大，作用在金屬中電子上的振幅也越大，作用在金屬中電子上的力也就越大，力也

12、就越大，光電子逸出的能量也應(yīng)光電子逸出的能量也應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該越大。也就是說(shuō)，光電子的能量應(yīng)該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該該隨著光強(qiáng)度的增加而增大，不應(yīng)該與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什與入射光的頻率有關(guān)，更不應(yīng)該有什么截止頻率么截止頻率。 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明：飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動(dòng)能也與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即與頻率有關(guān)。只要頻率高于極限頻率，即使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于極限頻率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也沒(méi)有光電流。率時(shí)，無(wú)論光強(qiáng)再大也

13、沒(méi)有光電流。 光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而光電效應(yīng)具有瞬時(shí)性。而經(jīng)典認(rèn)為光能量經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的分布在波面上，吸收能量要時(shí)間，即需能量的積累過(guò)程。積累過(guò)程。 為了解釋光電效應(yīng)，為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦在能量愛(ài)因斯坦在能量子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論子假說(shuō)的基礎(chǔ)上提出光子理論，提出了光，提出了光量子假設(shè)。量子假設(shè)。3.3.愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)愛(ài)因斯坦的光量子假設(shè)1.1.內(nèi)容內(nèi)容 光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為光不僅在發(fā)射和吸收時(shí)以能量為h的微粒形式出的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，現(xiàn)，而且在空間傳播時(shí)也是如此。也就是說(shuō)，頻率為頻率為 的的光是由大量

14、能量為光是由大量能量為 =h 光子組成的粒子流，這光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速些光子沿光的傳播方向以光速 c 運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。0WEhk 在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一在光電效應(yīng)中金屬中的電子吸收了光子的能量，一部分消耗在電子逸出功部分消耗在電子逸出功A，另一部分變?yōu)楣怆娮右莩龊螅硪徊糠肿優(yōu)楣怆娮右莩龊蟮膭?dòng)能的動(dòng)能 Ek 。由能量守恒可得出：。由能量守恒可得出：2.2.愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功； 221vmEek0W為光電子的最大初動(dòng)能。為光電子的最大初動(dòng)能。 3.

15、3. 從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射從方程可以看出光電子初動(dòng)能和照射光的頻率成線性關(guān)系光的頻率成線性關(guān)系 4.4.從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，從光電效應(yīng)方程中，當(dāng)初動(dòng)能為零時(shí)，可得極極限頻率：可得極極限頻率： 愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋：愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的解釋： 1. 1. 光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也光強(qiáng)大，光子數(shù)多，釋放的光電子也多，所以光電流也大。多，所以光電流也大。 2. 2. 電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬電子只要吸收一個(gè)光子就可以從金屬表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。表面逸出，所以不需時(shí)間的累積。 由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功地說(shuō)明了光電由于愛(ài)因斯坦提出的光子假說(shuō)成功

16、地說(shuō)明了光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律, ,榮獲榮獲19211921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)，但當(dāng)時(shí)并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的并未被物理學(xué)家們廣泛承認(rèn)，因?yàn)樗耆`背了光的波動(dòng)理論。波動(dòng)理論。4.4.光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證光電效應(yīng)理論的驗(yàn)證 美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了美國(guó)物理學(xué)家密立根，花了十年時(shí)間做了“光電效光電效應(yīng)應(yīng)”實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在實(shí)驗(yàn)，結(jié)果在1915年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，年證實(shí)了愛(ài)因斯坦方程，h 的的值與理論值完全一致，又一次證明了值與理論值完全一致，又一次證明了“光量子光量

17、子”理論理論的正確。的正確。愛(ài)因斯坦由于愛(ài)因斯坦由于對(duì)對(duì)光電效光電效應(yīng)應(yīng)的理論解釋和對(duì)的理論解釋和對(duì)理論理論物理學(xué)物理學(xué)的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)獲得獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)密立根由于密立根由于研究基本電荷和研究基本電荷和光電效應(yīng)光電效應(yīng)，特別是通過(guò)著名，特別是通過(guò)著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位。小單位。獲得獲得19231923年諾貝年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)爾物理學(xué)獎(jiǎng)。放大器放大器控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu) 可以用于自動(dòng)控可以用于自動(dòng)控制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)制，自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。4.4.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用1.1.光控

18、繼電器光控繼電器K1K2K3K4K5KA可對(duì)微弱光線進(jìn)行放可對(duì)微弱光線進(jìn)行放大，可使光電流放大大，可使光電流放大105 108 倍，靈敏度倍，靈敏度高，用在工程、天文、高，用在工程、天文、科研、軍事等方面。科研、軍事等方面。2.2.光電倍增管光電倍增管應(yīng) 用光電管光電源電流計(jì)IAK第2課時(shí)康普頓效應(yīng)1.光的散射光的散射光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用光在介質(zhì)中與物質(zhì)微粒相互作用,因而傳因而傳播方向發(fā)生改變播方向發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫做這種現(xiàn)象叫做光的散射光的散射2.2.康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 19231923年康普頓在做年康普頓在做 X 射線通過(guò)物射線通過(guò)物質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有質(zhì)散射的實(shí)驗(yàn)

19、時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射線中除有與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比與入射線波長(zhǎng)相同的射線外，還有比入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改入射線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射線，其波長(zhǎng)的改變量與散射角變量與散射角有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng)有關(guān)，而與入射線波長(zhǎng) 和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)和散射物質(zhì)都無(wú)關(guān)。一一. .康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置與規(guī)律：晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測(cè)測(cè)器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長(zhǎng)散射波長(zhǎng) 康普頓正在測(cè)晶體康普頓正在測(cè)晶體對(duì)對(duì)X 射線的散射射線的散射 按經(jīng)典電磁理論：按經(jīng)典電磁理論： 如果入射如果入射X光是某光是某 種波長(zhǎng)的電磁波，種波長(zhǎng)的電磁波，

20、散射光的波長(zhǎng)是散射光的波長(zhǎng)是 不會(huì)改變的！不會(huì)改變的！康普頓散射曲線的特點(diǎn)：康普頓散射曲線的特點(diǎn)： 1.除原波長(zhǎng)除原波長(zhǎng) 0外出現(xiàn)了移向外出現(xiàn)了移向長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng)長(zhǎng)波方向的新的散射波長(zhǎng) 。 2.新波長(zhǎng)新波長(zhǎng) 隨散射角的增大隨散射角的增大而增大。而增大。 散射中出現(xiàn)散射中出現(xiàn) 0 的現(xiàn)象，稱的現(xiàn)象，稱為為康普頓散射。康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移為波長(zhǎng)的偏移為0 =0Oj=45Oj=90Oj=135Oj. . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波長(zhǎng)波長(zhǎng). . 0 稱為電子的稱為電子的Compton波長(zhǎng)波長(zhǎng))cos1 (j j c只有當(dāng)入射波長(zhǎng)只有當(dāng)入射波長(zhǎng) 0與與 c可比

21、擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯可比擬時(shí)，康普頓效應(yīng)才顯著，著，因此要用因此要用X射線才能觀察到射線才能觀察到康普頓散射，用可康普頓散射，用可見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。見(jiàn)光觀察不到康普頓散射。波長(zhǎng)的偏移只與散射角波長(zhǎng)的偏移只與散射角j j 有關(guān)，有關(guān)，而與散射物質(zhì)而與散射物質(zhì)種類及入射的種類及入射的X X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng) 0 0 無(wú)關(guān)，無(wú)關(guān)，0 c = 0.0241=2.41 10-3nm（實(shí)驗(yàn)值）（實(shí)驗(yàn)值）遇到的困難遇到的困難經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)經(jīng)典電磁理論在解釋康普頓效應(yīng)時(shí)2. 2. 無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。無(wú)法解釋波長(zhǎng)改變和散射角的關(guān)系。射光頻率應(yīng)等于入射光頻率。射光頻率應(yīng)等于入

22、射光頻率。其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散其頻率等于入射光頻率，所以它所發(fā)射的散過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中帶電粒子將作受迫振動(dòng)，1. 1. 根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通根據(jù)經(jīng)典電磁波理論，當(dāng)電磁波通光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋 康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的康普頓效應(yīng)是光子和電子作彈性碰撞的子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。子能量幾乎不變，波長(zhǎng)不變。小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論， 碰撞前后光碰撞前后光光子將與整個(gè)原子交換能量光子將與整個(gè)原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)2. 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰

23、撞，若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。是散射光的波長(zhǎng)大于入射光的波長(zhǎng)。 部分能量傳給電子部分能量傳給電子,散射光子的能量減少，于散射光子的能量減少，于1. 若光子和外層電子相碰撞，光子有一若光子和外層電子相碰撞，光子有一結(jié)果，具體解釋如下：結(jié)果，具體解釋如下： 3. 因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度因?yàn)榕鲎仓薪粨Q的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。有關(guān)，所以波長(zhǎng)改變和散射角有關(guān)。光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋光子理論對(duì)康普頓效應(yīng)的解釋三三. .康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義（1 1）有力地支持了愛(ài)因斯坦）有力地支持了愛(ài)因斯坦“光量子光量子”假

24、設(shè)；假設(shè)； （2 2）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了）首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“光子具有動(dòng)量光子具有動(dòng)量” 的假設(shè)；的假設(shè)；（3 3）證實(shí)了）證實(shí)了在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中，在微觀世界的單個(gè)碰撞事件中， 動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。動(dòng)量和能量守恒定律仍然是成立的。康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的康普頓的成功也不是一帆風(fēng)順的，在他早期的幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于幾篇論文中，一直認(rèn)為散射光頻率的改變是由于“混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射混進(jìn)來(lái)了某種熒光輻射”；在計(jì)算中起先只；在計(jì)算中起先只考慮能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒?？紤]能量守恒，后來(lái)才認(rèn)識(shí)到還要用動(dòng)量守恒。康普頓于康普頓于1927

25、1927年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)?？悼灯掌疹D頓效效應(yīng)應(yīng)康康普普頓頓效效應(yīng)應(yīng)康普頓康普頓,1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(1892-1962)美國(guó)物理學(xué)家美國(guó)物理學(xué)家192719251926年，吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X射線射線( 0 =5.62nm) 為入射線為入射線, 以以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)四、吳有訓(xùn)對(duì)研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年年,參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作.對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了對(duì)證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。重要貢獻(xiàn)。在同一散射角在同一散射角( )測(cè)

26、量測(cè)量各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作各種波長(zhǎng)的散射光強(qiáng)度，作了大量了大量 X 射線散射實(shí)驗(yàn)。射線散射實(shí)驗(yàn)。0120 j j（1897-19771897-1977） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)光子的能量和動(dòng)量光子的能量和動(dòng)量2mcE hchcchmcP2hE 2chmhE hP動(dòng)量能量是描述粒子的動(dòng)量能量是描述粒子的,頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的頻率和波長(zhǎng)則是用來(lái)描述波的17.3嶄新的一頁(yè)：粒子的波動(dòng)性教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 1、知識(shí)與技能：、知識(shí)與技能： 了解光的波粒二象性；了解粒子的波動(dòng)性2、過(guò)程與方法：、過(guò)程與方法： 培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力。3、情感態(tài)度與價(jià)值觀：、情感態(tài)度與價(jià)值觀： 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，正確地

27、獲取知識(shí)的方法?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：、重點(diǎn)：粒子波動(dòng)性的理解 2、難點(diǎn)：、難點(diǎn)：對(duì)德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 德布羅意波德布羅意波 波粒二象性波粒二象性1、德布羅意波（物質(zhì)波）、德布羅意波（物質(zhì)波） De . Broglie 1923年發(fā)表了題為年發(fā)表了題為“波和粒子波和粒子”的的論文，提出了物質(zhì)波的概念。論文，提出了物質(zhì)波的概念。 他認(rèn)為，他認(rèn)為，“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)方法的話，那末在實(shí)物的理論中

28、，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略了波的圖象呢了波的圖象呢” 一、德布羅意的物質(zhì)波一、德布羅意的物質(zhì)波德布羅意德布羅意 (due de Broglie, 1892-1960) 德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題。對(duì)比的方法分析問(wèn)題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士論文年，在博士論文關(guān)于量子理論的研究關(guān)于量子理論的研究中提出德

29、布羅中提出德布羅意波意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。驗(yàn)的想法。 愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為想的重大意義，譽(yù)之為“揭開一幅大幕揭開一幅大幕的一角的一角”。法國(guó)物理學(xué)家，法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠始人，量子力學(xué)的奠基人之一?；酥?。 能量為能量為E、動(dòng)量為、動(dòng)量為p的粒子與頻率為的粒子與頻率為v、波長(zhǎng)為、波長(zhǎng)為 的的波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：波相聯(lián)系，并遵從以下關(guān)系：E=mc2=hv hmvp 這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系

30、的波稱為德布羅意波這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物物質(zhì)波或概率波質(zhì)波或概率波),其波長(zhǎng)其波長(zhǎng) 稱為德布羅意波長(zhǎng)。稱為德布羅意波長(zhǎng)。一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性 后來(lái)，大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿足德布洛意關(guān)系。一顆子彈、一個(gè)足球有沒(méi)有波動(dòng)性呢？ 質(zhì)量 m = 0.01kg，速度 v = 300 m/s 的子彈的德布洛意波長(zhǎng)為 計(jì)算結(jié)果表明，子彈的波長(zhǎng)小到實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的程度。所以，宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波

31、與它對(duì)應(yīng)，該波的波長(zhǎng)= 。 ph/【例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)。 解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m50kg ，百米跑時(shí)速度v7m/s ，則由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。mmph3634109 . 17501063. 6 例題例題2 (1)電電子動(dòng)能子動(dòng)能Ek=100eV；(2)子彈動(dòng)量子彈動(dòng)量p=6.63106kg.m.s-1, 求德布羅意波長(zhǎng)。求德布羅意波長(zhǎng)。 解解 (1)因電因電子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)子動(dòng)能較小，速度較小，可用非相對(duì)論公式求解。論公式求解。2410452 .mEmpk61093. 5phmh =1.23(2)

32、子彈子彈:ph h= 6.6310-34= 1.010-40m 可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子粒子(如子彈如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。,22122mpmEk 一個(gè)質(zhì)量為一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子以速率的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量量E和動(dòng)量和動(dòng)量P所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率 和波長(zhǎng)和波長(zhǎng) 所描述的波動(dòng)性所描述的波動(dòng)性。hEPh德布羅意關(guān)系德布羅意關(guān)系如速度如速度v=5.0 102m/s飛行的子飛行的子彈，質(zhì)量為彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的德布羅

33、意波長(zhǎng)為：德布羅意波長(zhǎng)為：nmmvh25103 . 1 如電子如電子m=9.1 10-31Kg，速，速度度v=5.0 107m/s, 對(duì)應(yīng)的德對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：布羅意波長(zhǎng)為：nmmvh2104 . 1 太小測(cè)不到！太小測(cè)不到！X射線射線波段波段2、戴維遜革末實(shí)驗(yàn)、戴維遜革末實(shí)驗(yàn) 1927年，年，Davisson和和Germer 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。 （該實(shí)驗(yàn)榮獲（該實(shí)驗(yàn)榮獲19371937年年Nobel Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)）物理學(xué)獎(jiǎng)）戴維遜戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)革末實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn) 電子束垂直入射電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，到鎳單晶的水平面上，在在 散射方

34、向散射方向上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極大。大。 （可用晶體（可用晶體對(duì)對(duì)X射線的衍射方法射線的衍射方法來(lái)分析）來(lái)分析） 50vL.V.L.V.德布羅意德布羅意 v電子波動(dòng)性的理論電子波動(dòng)性的理論研究研究1929諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)vC.J.戴維孫戴維孫 v通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對(duì)電子的衍射作用對(duì)電子的衍射作用1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線經(jīng)晶體的衍射圖射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖電子射線經(jīng)晶體的衍射圖類似的實(shí)驗(yàn)： 19271927年，年，湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn)湯姆遜電子衍射實(shí)驗(yàn) 19601960年，年，C.JonsonC.Jonson的的電子雙縫干

35、涉實(shí)驗(yàn)電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性。具有波動(dòng)性。 德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，一性的基本公式，1929年，年，De Broglie因發(fā)現(xiàn)因發(fā)現(xiàn)電子波電子波而而榮獲榮獲Nobel 物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。電子顯微鏡電子顯微鏡17.4概率波教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) （一）知識(shí)與技能（一）知識(shí)與技能 1了解微粒說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題 2了解波動(dòng)說(shuō)的基本觀點(diǎn)及對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的解釋和所遇到的問(wèn)題 3了解事物的連續(xù)性與分立性是相對(duì)的，了解光既有波

36、動(dòng)性，又有粒子性 4了解光是一種概率波 （二）過(guò)程與方法（二）過(guò)程與方法 1領(lǐng)悟什么是概率波 2了解物理學(xué)中物理模型的特點(diǎn)初步掌握科學(xué)抽象這種研究方法 3通過(guò)數(shù)形結(jié)合的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)數(shù)學(xué)工具在物理科學(xué)中的作用 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 理解人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)和研究經(jīng)歷了一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，這一過(guò)程也是辯證發(fā)展的過(guò)程根據(jù)事實(shí)建立學(xué)說(shuō)，發(fā)展學(xué)說(shuō)，或是決定學(xué)說(shuō)的取舍，發(fā)現(xiàn)新的事實(shí)，再建立新的學(xué)說(shuō)人類就是這樣通過(guò)光的行為，經(jīng)過(guò)分析和研究，逐漸認(rèn)識(shí)光的本性的 【重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)的發(fā)展過(guò)程 2、難點(diǎn)：對(duì)量子化、波粒二象性、概率波等概念的理解 電子雙縫衍射電子

37、雙縫衍射 1) 用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射用足夠強(qiáng)的電子束進(jìn)行雙縫衍射 出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性出現(xiàn)了明暗相間的衍射條紋，體現(xiàn)電子的波動(dòng)性 衍射條紋掩飾了電子的粒子性衍射條紋掩飾了電子的粒子性 未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì)未能體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質(zhì) 得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣得到的結(jié)果與光的雙縫衍射結(jié)果一樣 物質(zhì)波不是經(jīng)典波物質(zhì)波不是經(jīng)典波 經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的經(jīng)典的波是介質(zhì)中質(zhì)元共同振動(dòng)的形成的 雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱雙縫衍射中體現(xiàn)為無(wú)論電子強(qiáng)度多么弱 屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋屏幕上出現(xiàn)的是強(qiáng)弱連續(xù)分布的衍射條紋 實(shí)

38、際上在電子強(qiáng)度弱的情形中實(shí)際上在電子強(qiáng)度弱的情形中 電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的電子在屏幕上的分布是隨機(jī)的，完全不確定的 微觀粒子不是經(jīng)典粒子微觀粒子不是經(jīng)典粒子 經(jīng)典粒子雙縫衍射經(jīng)典粒子雙縫衍射 子彈可以看作是經(jīng)典粒子子彈可以看作是經(jīng)典粒子 假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫假想用機(jī)關(guān)槍掃射雙縫A和和B，屏幕，屏幕C收集子彈數(shù)目收集子彈數(shù)目1) 將狹縫將狹縫B擋住擋住 子彈通過(guò)子彈通過(guò)A在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類似于單縫衍射的中央主極大P1 子彈落在中央主極大范圍的概率分布子彈落在中央主極大范圍的概率分布2) 將狹縫將狹縫A 擋住擋住 子彈通過(guò)狹縫

39、子彈通過(guò)狹縫B在屏幕在屏幕C上有一定的分布上有一定的分布 類似于單縫衍射的中央主極大類似于單縫衍射的中央主極大P2 子彈落在中央主極大范圍的概率分布子彈落在中央主極大范圍的概率分布12PPP3) A和和B狹縫同時(shí)打開狹縫同時(shí)打開 子彈是經(jīng)典粒子子彈是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)A狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過(guò)還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)B狹縫的子彈狹縫的子彈 還是通過(guò)還是通過(guò)B屏幕屏幕C上子彈的概率分布上子彈的概率分布不因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開不因兩個(gè)狹縫同時(shí)打開每顆子彈會(huì)有新的選擇！每顆子彈會(huì)有新的選擇！ 電子雙縫衍射電子雙縫衍射 電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕電子槍發(fā)射出的電子，在屏幕P上觀察電子數(shù)目

40、上觀察電子數(shù)目1) 將狹縫將狹縫B擋住擋住 電子通過(guò)狹縫電子通過(guò)狹縫A 在屏幕在屏幕C有一定分布有一定分布 類似于單縫衍射類似于單縫衍射 的中央主極大的中央主極大10/173）A和和B狹縫同時(shí)打開狹縫同時(shí)打開 如果電子是經(jīng)典粒子如果電子是經(jīng)典粒子 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)A狹縫的電子狹縫的電子 還是通過(guò)還是通過(guò)A 原來(lái)通過(guò)原來(lái)通過(guò)B狹縫的電子狹縫的電子 還是通過(guò)還是通過(guò)B屏幕上電子的概率分布屏幕上電子的概率分布12PPP12PPP屏幕屏幕C 實(shí)際觀察到類似光的雙縫衍射條紋實(shí)際觀察到類似光的雙縫衍射條紋屏幕屏幕C上電子的概率分布上電子的概率分布 只開一個(gè)狹縫和同時(shí)開兩個(gè)狹縫只開一個(gè)狹縫和同時(shí)開兩個(gè)狹縫

41、電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性電子運(yùn)動(dòng)的方向具有隨機(jī)性 A和和B狹縫同時(shí)開時(shí)狹縫同時(shí)開時(shí) 電子似乎電子似乎“知道知道” 兩個(gè)狹縫都打開！兩個(gè)狹縫都打開！ 雙縫和屏幕之間 到底發(fā)生了什么？屏幕上電子的分布屏幕上電子的分布 有了新的概率分布有了新的概率分布電子電子 不是經(jīng)典粒子不是經(jīng)典粒子 光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I 大大 光子出現(xiàn)概率大光子出現(xiàn)概率大I小小 光子出現(xiàn)概率小光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于統(tǒng)一于概率波概率波理論理論單縫衍射單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比方成正比17.5不確定的關(guān)系教學(xué)目標(biāo)

42、教學(xué)目標(biāo) （一）知識(shí)與技能（一）知識(shí)與技能 1了解不確定關(guān)系的概念和相關(guān)計(jì)算 2了解物理模型與物理現(xiàn)象 （二）過(guò)程與方法（二）過(guò)程與方法 經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，嘗試應(yīng)用科學(xué)探究的方法研究物理問(wèn)題，驗(yàn)證物理規(guī)律。 （三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀（三）情感、態(tài)度與價(jià)值觀 能領(lǐng)略自然界的奇妙與和諧，發(fā)展對(duì)科學(xué)的好奇心與求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘，能體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛與喜悅。 【重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)難點(diǎn)】 1、重點(diǎn)：、重點(diǎn)：不確定關(guān)系的概念 2、難點(diǎn)：、難點(diǎn)：對(duì)不確定關(guān)系的定量應(yīng)用 玻 恩玻 恩 ( M . B o r n . 1882-1970)德國(guó)物理德國(guó)物理 學(xué)學(xué)家。家。1926年提出波

43、函數(shù)年提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博波波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享共享1954年諾貝爾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。玻 恩M. Born. 一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋 1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩年，德國(guó)物理學(xué)玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，認(rèn)為提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一在何處出現(xiàn)有一定的定的偶然性偶然性，但是，但是大量粒子大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 二二. .經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波(

44、(物質(zhì)波物質(zhì)波) )的區(qū)別的區(qū)別 經(jīng)典的波動(dòng)經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。 而德布羅意波而德布羅意波(物質(zhì)波物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的是一種概率波。簡(jiǎn)單的說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方說(shuō)，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。法。不確定度關(guān)系不確定度關(guān)系（UNCERTAINTY RELATOIN) 經(jīng)典力學(xué)：經(jīng)典力學(xué)：運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。運(yùn)動(dòng)物體有完全確定的位置、動(dòng)量、能量等。 微觀粒子：微觀粒子：位置、動(dòng)量等具有不確定量（概率）。位置、動(dòng)量等具有不確定

45、量（概率）。、電子衍射中的不確定度、電子衍射中的不確定度 一束電子以速度一束電子以速度 v 沿沿 oy 軸射向狹縫軸射向狹縫。 電子在中央主極大區(qū)電子在中央主極大區(qū)域出現(xiàn)的幾率最大。域出現(xiàn)的幾率最大。aoxy 在經(jīng)典力學(xué)中，粒子（質(zhì)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來(lái)描述，而且這兩個(gè)量都 可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來(lái)說(shuō)，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來(lái)描述呢？下面我們以電子通過(guò)單縫衍射為例來(lái)進(jìn)行討論。設(shè)有一束電子沿設(shè)有一束電子沿 軸射向屏軸射向屏ABAB上縫寬為上縫寬為 的狹縫，于的狹縫，于是，在照相底片是，在照相底片CDCD上，可以觀察到如下圖所示的衍射上，可以觀察

46、到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo)圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo) 和動(dòng)量和動(dòng)量 來(lái)描述這一電子來(lái)描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問(wèn)：一個(gè)電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過(guò)的呢? ?也就是說(shuō)，電也就是說(shuō)，電子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo)子通過(guò)狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo) 為多少為多少? ?顯然，這一問(wèn)題，顯然，這一問(wèn)題，我們無(wú)法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪我們無(wú)法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電一點(diǎn)通過(guò)是無(wú)法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。

47、子通過(guò)狹縫時(shí)的坐標(biāo)。Oybxpx對(duì)于第一衍射極小，對(duì)于第一衍射極小，asin1 式中式中 為為 電子電子的德布羅意波長(zhǎng)。的德布羅意波長(zhǎng)。 電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在電子通過(guò)狹縫的瞬間，其位置在 x 方向上的不方向上的不確定量為確定量為p1 aoxyax 電子的位置和動(dòng)量電子的位置和動(dòng)量分別用分別用 和和 來(lái)表示。來(lái)表示。xp 同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量改變，縫越小，動(dòng)量的分量 Px變化越大。變化越大。p1 aoxy4hpxx分析計(jì)算可得分析計(jì)算可得:許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn)許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn),粒子

48、在同一時(shí)刻粒子在同一時(shí)刻并不處在同一位置。并不處在同一位置。用單個(gè)粒子重復(fù)用單個(gè)粒子重復(fù),粒子也不在同一位置出現(xiàn)。粒子也不在同一位置出現(xiàn)。動(dòng)量不確定度位置不確定度zyxpppzyx, 不確定性關(guān)系不確定性關(guān)系(19011976)德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家,量子力學(xué)矩陣形式的創(chuàng)建人量子力學(xué)矩陣形式的創(chuàng)建人, 1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：2 xpx 這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式2 ypy 2 zpz 2h（約化普朗克常量）（約化普朗克常量） 能量與時(shí)間的不確定關(guān)系：能量與時(shí)間的不確定關(guān)系：2tE 原子在激發(fā)態(tài)的平均壽

49、命原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命 相應(yīng)地所相應(yīng)地所處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。s10t8 ev10t2E8 稱為激發(fā)態(tài)的稱為激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度。能級(jí)寬度。 我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的。可見(jiàn)子彈的動(dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來(lái)說(shuō)沒(méi)有實(shí)際意義。 11smkg0 . 2smkg20001. 0 mvp1414smkg100 . 2smkg2100 . 1%01. 0pp例例1.1.一顆質(zhì)量為一顆質(zhì)量為10g 10g 的子彈，具有的子彈，具有200m200ms s-1-1的速率，的速率，若其動(dòng)量的不確定范圍

50、為動(dòng)量的若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(0. 01%(這在宏觀范圍這在宏觀范圍是十分精確的了是十分精確的了) )，則該子彈位置的不確定量范圍為多，則該子彈位置的不確定量范圍為多大大? ?解: 子彈的動(dòng)量動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍mmphx31434106.2100.214.341063.64我們知道原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見(jiàn)企圖精確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒(méi)有實(shí)際意義。 128131smkg108 . 1smkg200101 . 9 mvp1321284smk

51、g0 . 18 . 1 smkg0 . 18 . 1100 . 1%01. 0pp例例2 2 . . 一電子具有一電子具有200 m/s200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定的速率，動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的范圍為動(dòng)量的0. 01%(0. 01%(這已經(jīng)足夠精確了這已經(jīng)足夠精確了) )，則該電子，則該電子的位置不確定范圍有多大的位置不確定范圍有多大? ?解 : 電子的動(dòng)量為動(dòng)量的不確定范圍由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍mmphx33234109.2108.114.341063.64 宏觀物體宏觀物體 微觀粒子微觀粒子具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 沒(méi)有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量沒(méi)有確定的坐標(biāo)

52、和動(dòng)量可用牛頓力學(xué)描述?？捎门ｎD力學(xué)描述。 需用量子力學(xué)描述。需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 出各個(gè)粒子的軌跡。出各個(gè)粒子的軌跡。體系能量可以為任意的、連體系能量可以為任意的、連 能量量子化能量量子化 。續(xù)變化的數(shù)值。續(xù)變化的數(shù)值。不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系遵循不確定度關(guān)系微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)1. 物理意義：物理意義： 微觀

53、粒子不可能微觀粒子不可能同時(shí)同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒具有確定的位置和動(dòng)量。粒子子位置的不確定量位置的不確定量 x越小，越小，動(dòng)量的不確定量動(dòng)量的不確定量 Px就越就越大，反之亦然。大，反之亦然。2. 微觀本質(zhì)：微觀本質(zhì)： 是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果。計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果。 不確定關(guān)系不確定關(guān)系式式表明表明： 微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確( x0) ，動(dòng)量，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確就愈不準(zhǔn)確( px) ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確( px0) ，坐標(biāo)就愈，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確不準(zhǔn)確( x) 。

54、但這里要注意，不確定關(guān)系但這里要注意，不確定關(guān)系 不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)；不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)； 也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)；也不是說(shuō)微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)； 更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)；更不是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)； 而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能而是說(shuō)微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。測(cè)準(zhǔn)。 這是因?yàn)槲⒂^粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量本來(lái)就不同時(shí)具這是因?yàn)槲⒂^粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量本來(lái)就不同時(shí)具有確定量。有確定量。 這本質(zhì)上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。這本質(zhì)上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。 由上討論可知，不確定關(guān)系是自然界的一條客觀由上討論可知，不確定關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律規(guī)律,不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問(wèn)題。不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問(wèn)題。 不確定關(guān)系提供了一個(gè)判據(jù)：不確定關(guān)系提供了一個(gè)判據(jù)： 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制可以忽略時(shí)，則可以用當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制可以忽略時(shí)，則可以用經(jīng)典理論來(lái)研究粒子的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)典理論來(lái)研究粒子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制不可以忽略時(shí)，那只能當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制不可以忽略時(shí)，那只能用量子力學(xué)理論來(lái)處理問(wèn)題。用量子力學(xué)理論來(lái)處理問(wèn)題。為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)同時(shí)測(cè)準(zhǔn)測(cè)準(zhǔn)?