当前位置:首页 >> 理化生 >>

教科版高中物理选修3-5课件:第四章 第三节 光的波粒二象性 (共49张PPT)


第三节 光的波粒二象性

自主学习

1.光是一种电磁波,具有波动性,具有干涉和衍射等 波所特有的性质. 2.光子说:光不仅在发射和吸收时是一份一份的,而 且光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的,光 子的能量ε=hν. 3.康普顿效应 (1)光的散射:光子在介质中和物体微粒相互作用,使 光的传播方向发生偏转,这种现象叫光的散射. (2)康普顿效应:X射线经物质散射后波长变长的现 象.

4.光的波粒二象性 (1)光既具有波动性,又具有粒子性,即光具有波粒二象性. (2)光的波动性的证明:光能发生干涉、衍射和色散等波特有 的现象. (3)光的粒子性的证明:光在与其他物质相互作用时,能量和 动量是以一份一份的形式进行交换的.光电效应现象和康普 顿效应证明光具有粒子性. 5.光子的能量ε=hν,动量p=h/λ ,两式左侧的ε和p描述 光的粒子性,右侧的ν和λ描述光的波动性,两式把粒子性和 波动性紧密地联系了起来. 6.光是一种概率波 在双缝干涉实验中,屏上亮纹的地方,是光子到达概率大的 地方,暗纹的地方是光子到达概率小的地方.所以光波是一 种概率波,即光波在某处的强度代表着光子在该处出现概率 的大小.

问题:什么是康普顿效应?说明了 什么?

1.光的散射 光在介质中与物质微粒相互作用,因而传 播方向发生改变,这种现象叫做光的散射
2.康普顿效应

1923年康普顿在做 X 射线通过物 质散射的实验时,发现散射线中除有 与入射线波长相同的射线外,还有比 入射线波长更长的射线,其波长的改 变量与散射角有关,而与入射线波长 和散射物质都无关。

一.康普顿散射的实验装置与规律:
X 射线管

晶体
散射波长?

光阑

?0

j

探 测 器 X 射线谱仪

石墨体 (散射物质)

康普顿正在测晶体 对X 射线的散射 按经典电磁理论: 如果入射X光是某 种波长的电磁波, 散射光的波长是 不会改变的!

j =0O

..... .. ...... . . .. . .... . . . . . ... .. ... .... . ... . ... . . . .. . . .. ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
?0 ?
0.700 0.750

j =45O j =90

散射中出现 ?≠?0 的现象,称 为康普顿散射。 康普顿散射曲线的特点:

1.除原波长?0外出现了移向 长波方向的新的散射波长? 。 2.新波长? 随散射角的增大 而增大。 波长的偏移为

O

j =135O
波长 λ(A)
o

?? ?? ? ? 0

波长的偏移只与散射角j 有关,而与散射物质 种类及入射的X射线的波长?0 无关,

?? ?? ? ? 0 ? ?c (1? cos j )

?c = 0.0241?=2.41?10-3nm(实验值)
称为电子的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,因此要用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。

经典电磁理论在解释康普顿效应时 遇到的困难
1. 根据经典电磁波理论,当电磁波通
过物质时,物质中带电粒子将作受迫振动, 其频率等于入射光频率,所以它所发射的散 射光频率应等于入射光频率。

2. 无法解释波长改变和散射角的关系。

光子理论对康普顿效应的解释
康普顿效应是光子和电子作弹性碰撞的 结果,具体解释如下: 1. 若光子和外层电子相碰撞,光子有一 部分能量传给电子,散射光子的能量减少,于

是散射光的波长大于入射光的波长。 2. 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞,
光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远 小于原子质量,根据碰撞理论, 碰撞前后光 子能量几乎不变,波长不变。

光子理论对康普顿效应的解释
3. 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度 有关,所以波长改变和散射角有关。

三.康普顿散射实验的意义
(1)有力地支持了爱因斯坦“光量子”假设; (2)首次在实验上证实了“光子具有动量” 的假设;

(3)证实了在微观世界的单个碰撞事件中, 动量和能量守恒定律仍然是成立的。
康普顿的成功也不是一帆风顺的,在他早期的 几篇论文中,一直认为散射光频率的改变是由于 “混进来了某种荧光辐射”;在计算中起先只 考虑能量守恒,后来才认识到还要用动量守恒。

康普顿于1927年获诺贝尔物理奖。

19 27

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

四、吴有训对研究康普顿效应的贡献
1923年,参加了发现康普顿效应的研究工作. 1925—1926年,吴有训用银的X射线(?0 =5.62nm) 为入射线, 以15种轻重不同的元素为散射物质, 在同一散射角( j ? 1200 )测量 各种波长的散射光强度,作 了大量 X 射线散射实验。 对证实康普顿效应作出了 重要贡献。
吴有训 (1897-1977)

例、 康普顿效应证实了光子不仅具有能量,也有动量 .

图给出了光子与静止电子碰撞后,电子的运动方向,
则 碰 撞 后 光 子 可 能 沿 方 向 ________ 运 动 , 并 且 波 长

______(填“不变”“变短”或“变长”).

解析

因光子与电子的碰撞过程动量守恒,所以碰撞

后光子和电子的总动量的方向与光子碰撞前动量的方
向一致,可见碰撞后光子运动的方向可能沿 1方向,不 可能沿 2 或 3 方向;通过碰撞,光子将一部分能量转移 给电子,光子的能量减少,由 ε= hν知,频率变小,再 根据c=λν知,波长变长. 答案 1 变长

光子的能量和动量

? E ? mc E ? h?
2

h? h? h ? P ? mc ? 2 ? c ? ? c c ?

h? ?m ? 2 c

E ? h?
P?

h

?

动量能量是描述粒子的,
频率和波长则是用来描述波的

问题:什么是光的波粒二象性?

一、德布罗意的物质波

德布罗意 (due de Broglie, 1892-1960)
德布罗意原来学习历史,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。

能量为E、动量为p的粒子与频率为v、波长为?的 波相联系,并遵从以下关系: E=mc2=hv

h p ? m? ? ?
这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波(物 质波或概率波),其波长?称为德布罗意波长。

一切实物粒子都有波动性
后来,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。 一颗子弹、一个足球有没有波动性呢? : 质量 m = 0.01kg,速度 v = 300 m/s 的子弹的德布 洛意波长为

计算结果表明,子弹的波长小到实验难以测量的程度。 所以,宏观物体只表现出粒子性。

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λ= 。 h/ p 【例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意 波的波长。 解:估计一个中学生的质量m≈50kg ,百米跑时 ?34 h 6 . 63 ? 10 速度v≈7m/s ,则 ? ? ? m ? 1.9 ?10?36 m p 50? 7
由计算结果看出,宏观物体的物质波波长非常小,所以很难 表现出其波动性。

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 2 p2 E k ? mυ ? , ? ? 5.93 ?106 2 2m

p ? mυ ? 2mEk ? 5.4 ?10

?24

h h ?? ? =1.23? mυ p h (2)子弹: ? ? = 1.0×10-40m p

h= 6.63×10-34

可见,只有微观粒子的波动性较显著;而宏观 粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。

一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时,即具有以能
量E和动量P所描述的粒子性,同时也具有以频率?和波长? 所描述的波动性。
德布罗意关系

? ? Eh

?=h P
如电子m=9.1?10-31Kg,速 度v=5.0?107m/s, 对应的德 布罗意波长为:

如速度v=5.0?102m/s飞行的子 弹,质量为m=10-2Kg,对应的 德布罗意波长为:

h ?? ? 1.3 ? 10? 25 nm mv
太小测不到!

h ?? ? 1.4 ? 10? 2 nm mv
X射线波段

2、戴维逊-革末实验
1927年,Davisson和Germer 进行了电子衍射实验。
(该实验荣获1937年Nobel 物理学奖)

电子束垂直入射 到镍单晶的水平面上, 在 ? ? 50?散射方向 上探测到一个强度极 大。 (可用晶体 对X射线的衍射方法 来分析)

戴维逊--革末实验 电子衍射实验

1929诺贝尔物理学奖
? L.V.德布罗意 ? 电子波动性的理论 研究

1937诺贝尔物理学奖
? C.J.戴维孙
? 通过实验发现晶体 对电子的衍射作用

X射线经晶体的衍射图

电子射线经晶体的衍射图

类似的实验:
1927年,汤姆逊电子衍射实验 1960年,C.Jonson的电子双缝干涉实验 后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也 具有波动性。 德布罗意公式成为揭示微观粒子波-粒二象性的统 一性的基本公式,1929年,De Broglie因发现电子波而荣 获Nobel 物理学奖。

电子显微镜

? 电子双缝衍射
1) 用足够强的电子束进行双缝衍射 ? —— 得到的结果与光的双缝衍射结果一样 —— 出现了明暗相间的衍射条纹,体现电子的波动性 —— 衍射条纹掩饰了电子的粒子性

未能体现电子在空间分布的概率性质

2) 用非常弱的电子束进行双缝衍射 ? —— 开始电子打在屏幕上的位置是任意的 随着时间推移,电子具有稳定的分布 出现清晰衍射条纹__和强电子束在短时间形成的一样

—— 单个电子的运动方向是完全不确定的__具有概率分布 一定条件下,电子运动方向的概率具有确定的规律

? 物质波不是经典波 —— 经典的波是介质中质元共同振动的形成的
双缝衍射中体现为无论电子强度多么弱 屏幕上出现的是强弱连续分布的衍射条纹

—— 实际上在电子强度弱的情形中 电子在屏幕上的分布是随机的,完全不确定的

? 微观粒子不是经典粒子
—— 经典粒子双缝衍射

—— 子弹可以看作是经典粒子 假想用机关枪扫射双缝A和B,屏幕C收集子弹数目

1) 将狭缝B挡住
—— 子弹通过A在屏幕C上有一定的分布 —— 类似于单缝衍射的中央主极大 P1 —— 子弹落在中央主极大范围的概率分布

2) 将狭缝A 挡住 —— 子弹通过狭缝B在屏幕C上有一定的分布

—— 类似于单缝衍射的中央主极大 P2 —— 子弹落在中央主极大范围的概率分布

3) A和B狭缝同时打开
—— 子弹是经典粒子 原来通过A狭缝的子弹 —— 还是通过A 原来通过B狭缝的子弹 —— 还是通过B 不因两个狭缝同时打开 每颗子弹会有新的选择! 屏幕C上子弹的概率分布

P?P 1?P 2

—— 电子双缝衍射 —— 电子枪发射出的电子,在屏幕P上观察电子数目 1) 将狭缝B挡住 —— 电子通过狭缝A 在屏幕C有一定分布 —— 类似于单缝衍射 的中央主极大

2) 将狭缝A挡住 —— 电子通过狭缝B在屏幕C上有一定的分布 类似于单缝衍射的中央主极大

3)A和B狭缝同时打开
—— 如果电子是经典粒子 原来通过A狭缝的电子 —— 还是通过A 原来通过B狭缝的电子 —— 还是通过B 屏幕上电子的概率分布

屏幕C —— 实际观察到类似光的双缝衍射条纹
屏幕C上电子的概率分布

—— 只开一个狭缝和同时开两个狭缝 电子运动的方向具有随机性 ?

—— A和B狭缝同时开时 电子似乎“知道”

两个狭缝都打开!

双缝和屏幕之间 —— 到底发生了什么? 屏幕上电子的分布 —— 有了新的概率分布

电子 —— 不是经典粒子

光子在某处出现的概率由光在该处的强度决定

单 缝 衍 射
I 大 光子出现概率大 I小 光子出现概率小

光子在某处出现的概率和该处光振幅的平 方成正比 统一于概率波理论


相关文章:
【教科版选修3-5】高中物理:4.3《光的波粒二象性》ppt....ppt
教科版选修3-5】高中物理:4.3《光的波粒二象性ppt课件_理化生_高中教育_教育专区。高中物理 选修3-5 教科版 4.3 光的波粒二象性 [目标定位] 1....
...版选修3-5教学案:第四章 第3节 光的波粒二象性.doc
搜试试 5 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 广告 百度文库 教育专区 高中教育2017-2018学年高中物理教科版选修3-5教学案:第四章 第3节 光的波粒二象性...
...物理教科版选修3-5学案:第4章 3 光的波粒二象性 含....doc
2018学年高中物理教科版选修3-5学案:第4章 3 光的波粒二象性 含解析 - 3.光的波粒二象性 学习目标 1.知道什么是康普顿效应及康 普顿散射实验原理.(重点) ...
...第四章 波粒二象性 章末总结 课件(教科版选修3-5)_....ppt
搜试试 2 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 广告 百度文库 教育专区 ...2015高中物理 第四章 波粒二象性 章末总结 课件(教科版选修3-5)_理化生_...
高中物理教科版《选修3-5》《第四章 波粒二象性》《选....doc
搜试试 2 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 广告 百度文库 教育专区 ...高中物理教科版选修3-5》《第四章 波粒二象性》《选修》《4.5不确定关系...
...选修3-5学业分层测评15 第4章 3 光的波粒二象性 含....doc
2018学年高中物理教科版选修3-5学业分层测评15 第4章 3 光的波粒二象性 含解析 - 学业分层测评(十五) (建议用时:45 分钟) [学业达标] hν 1.频率为 ν...
高中物理 3.0波粒二象性课件 教科版选修3-5_图文.ppt
搜试试 5 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...高中物理 3.0波粒二象性课件 教科版选修3-5_理化...现象的三点说明 (1)光电效应的实质是光现象转化为...
...的波粒二象性 不确定关系 课件(教科版选修3-5)_图文....ppt
2015高中物理 4.4-4.5 实物粒子的波粒二象性 不确定关系 课件(教科版选修3-5)_理化生_高中教育_教育专区。第四章 波粒二象性 4.4-4.5 实物粒子的波粒二象性...
...第四章 波粒二象性 章末总结 学案(教科版选修3-5).doc
2015高中物理 第四章 波粒二象性 章末总结 学案(教科版选修3-5) - 章
教科版高中物理教材目录.doc
搜试试 5 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...教科版高中物理教材目录高中物理必修 1 第一章 运动...光的波粒二象性 4.实物粒子的波粒二象性 5.不...
2018-2019学年教科版选修3-5光的波粒二象性实物粒子的....ppt
2018-2019学年教科版选修3-5光的波粒二象性实物粒子的波粒二象性不确定关系课件(33张)_高二理化生_理化生_高中教育_教育专区。第四章 波粒二象性 学案3 光...
光的波粒二象性 (26张ppt)_图文.ppt
光的波粒二象性 (26张ppt)_理化生_高中教育_教育专区。高中物理 选修3-5 教科版 4.3 光的波粒二...
2014-2015学年高二物理粤教版选修3-5课件:2.3 康普顿效....ppt
搜试试 3 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS ...2014-2015学年高二物理粤教版选修3-5课件:2.3 ... 粤教版 第四光的波粒二象性 第三节 ...
高中物理 第十七章波粒二象性全章课件(共100张幻灯)片 ....ppt
搜试试 5 悬赏文档 全部 DOC PPT TXT PDF XLS 广告 百度文库 教育专区 ...高中物理 第十七章波粒二象性章课件(共100张幻灯)片 新人教版选修3-5_...
高中物理人教版选修3-5 17.2光的粒子性(共27张PPT)_图文.ppt
高中物理人教版选修3-5 17.2光的粒子性(共27张PPT)_理化生_高中教育_教育专区。高中物理选修3-5 第十七章 波粒二象性 2 光的粒子性 光的电磁说使光的...
人教版高中物理选修3-5 17.4概率波 (共43张PPT)_图文.ppt
人教版高中物理选修3-5 17.4概率波 (共43张PPT)_理化生_高中教育_教育专区...第十七章波粒二象性 第四节概率波 教学目标 1、知识与技能 了解微粒说的基本...
...课件:选修3-5 第3讲 光电效应 波粒二象性(42张ppt,....ppt
《创新设计》2014届高考物理一轮复习课件:选修3-5 第3讲 光电效应 波粒二象性(42张ppt,含详解)_理化生_高中教育_教育专区。第3讲 光电效应 波粒二象性 考纲...
人教版高中物理选修3-5课件:17-4、5概率波 (共51张PPT)....ppt
人教版高中物理选修3-5课件:17-4、5概率波 (共51张PPT) - 第十七章 波粒二象性 四、五 概率波 不确定关系 自主预习 学习目标 1.认识经典粒子和波...
2018-2019学年教科版选修3-5光的波粒二象性第1课时作业(1).doc
2018-2019学年教科版选修3-5光的波粒二象性第1课时作业(1) - 光的波粒二象性 (同步测试) (满分60分,30分钟完成) 班级 选择题(本题共15小题,每小题4分...
人教版高中物理选修3-5《17.1 能量量子化》(PPT)(共17....ppt
人教版高中物理选修3-5《17.1 能量量子化》(PPT)(共17张PPT)_理化生_高中教育_教育专区。第十七章 波粒二象性第一节 能量量子化甘肃省通渭县二中学 ...
更多相关文章: