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第五节
微观粒子的波粒二象性
1924年,德布罗意在光的波粒二象性的启发下,提出一个大胆的假设:波粒二象性不是光才具有,一切实物粒子(电子、质子、中子……)均具有波粒二象性。
当时既没有任何已知的物理事实需要用这种思想来解释,也没有任何迹象表明粒子具有波动性。德布罗意主要是在接受了光的波粒二象性的事实之后,由对称性及统一性的考虑而提出这一假设的,
把电子想象成具有波动性,是十分大胆的科学假想。
德布罗意从实验事实出发,用粒子的概念成功地解释了在波动的领域中用经典波动理论解释不了的问题(如康普顿效应、光电效应等),用波动的概念成功地解释了在粒子领域中用经典的粒子概念解释不了的问题(如原子结构中定态问题)。
有些情况下,粒子性表现得突出,有时波动性表现得突出,此波称为物质波、粒子波、德布罗意波。
爱因斯坦高度赞扬德布罗意的工作,给予大力支持,爱因斯坦在研究物理规律时非常注意对称性,他认为德布罗意的观点是
自然界的对称性的又一重大表现。
1929年,德布罗意获得诺贝尔奖。
如何证明德布罗意波假设的正确性?
德布罗意在博士论文答辩中指出,一束电子穿过非常小的孔,可以产生衍射现象,这是用实验来验证假设的是否正确的方向。但在德国无人响应。
1927年,美国戴维逊在收到论文复印件后第二天就动手实验,同时英国汤姆逊也独立地得出电子波得衍射图样。
10年后,共同获得诺贝尔奖。
德布罗意假设:不仅光具有波粒二象性,一切实物粒子如电子、原子、分子都具有波粒二象性。
他提出:一个质量为m,速度为v的粒子具有波动性,只有一个波长为,频率为v的波与之相对应,各量的关系为:
考虑相对论效应:
一、德布罗意波
历史
二、德布罗意假设的实验证明
1、戴维逊实验
G
U
镍单晶片Ni
集电器
缝宽10-6m,电子波长10-11m
若认为电子具有波动性,电子以速度v运动,与之相应存在一列电子波,其波长为:
x射线在晶体表面散射,电子束在晶体表面散射
当满足布拉格公式
2dsin=k时,
反射电子波加强
(1927年),观测到电子衍射现象。
X射线
电子束
(波长相同)
衍射图样
电子双缝干涉图样
杨氏双缝干涉图样
则利用:
2、汤姆逊实验
x射线通过晶体产生衍射花纹,电子束通过晶体产生类似衍射花纹,根据衍射花纹结构可算出电子波的波长
1897年,汤姆逊研究阴极射线时发现了电子;
1906年获得了诺贝尔奖;
1937年获得诺贝尔奖。
1927年汤姆逊证实了电子的波动性
电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验
约恩逊(Jonsson)实验(1961)
质子、中子、原子、分子…也有波动性
基本数据
3、电子束单缝衍射实验
e
R
d
通过照相底版感光显示出单缝衍射花纹
利用光的单缝衍射公式: