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1、四四物质波物质波（高中第三册（高中第三册P.5152） 物理学把物质分为两大类，一类是质子、电子物理学把物质分为两大类，一类是质子、电子等，称做实物，另一类是电场、磁场等，统称场。等，称做实物，另一类是电场、磁场等，统称场。光是传播着的电磁场。既然光具有粒子性，那么，光是传播着的电磁场。既然光具有粒子性，那么，质子、电子，以至原子、分子等实物粒子是否会在质子、电子，以至原子、分子等实物粒子是否会在一定的条件下表现出波动性？一定的条件下表现出波动性？1924年，法国物理学年，法国物理学家德布罗意（家德布罗意（1892-1987）在他的博士论文里大胆）在他的博士论文里大胆地做了肯定睥回答。地做了肯
2、定睥回答。物质波的提出和证实 德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，波长波长是是式中式中是运动物体的动量，是运动物体的动量，是普朗克常量。人们是普朗克常量。人们把这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。把这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。（当时，德布罗意的论断只是一种假设。后来，（当时，德布罗意的论断只是一种假设。后来，基于这种假设的结论都与事实相符，于是证明人这基于这种假设的结论都与事实相符，于是证明人这种论断的正确性。）种论断的正确性。）物质波的提出和证实 宏
3、观物体的德布罗意波长比微观粒子的波长小宏观物体的德布罗意波长比微观粒子的波长小得多。我们知道，只有波长和障碍物的大小相差得多。我们知道，只有波长和障碍物的大小相差不多，或波长在在于障碍物时，才能表现出明显不多，或波长在在于障碍物时，才能表现出明显的衍射现象。由于宏观物体的太小，所以很难观的衍射现象。由于宏观物体的太小，所以很难观察到它们的波动性。但是，微观粒子的情形完全察到它们的波动性。但是，微观粒子的情形完全不同。金属晶体中晶格大小的数量级为不同。金属晶体中晶格大小的数量级为，电子束照射到金属晶体上时有楞能观察到电子的电子束照射到金属晶体上时有楞能观察到电子的波动性。波动性。1927年，英美
4、两国物理学家用这种方法得到了年，英美两国物理学家用这种方法得到了电子束的衍射图案，从而证实了德布罗意的假设。电子束的衍射图案，从而证实了德布罗意的假设。物质波的提出和证实 物质波也是概率波。在电子衍射图样中，电子物质波也是概率波。在电子衍射图样中，电子落在落在“亮圆亮圆”上的概率大，落在上的概率大，落在“暗圆暗圆”上的概率上的概率小。我们说光波和物质波都有是概率波，说的是光小。我们说光波和物质波都有是概率波，说的是光子和实物粒子在空间分布的概率是受波动规律支配子和实物粒子在空间分布的概率是受波动规律支配的。的。牛顿力学的局限性牛顿力学的局限性由于实物粒子也具有波动性，由于实物粒子也具有波动性，
5、所以如果它们的德布罗意波长和可见光相仿，实物所以如果它们的德布罗意波长和可见光相仿，实物粒子在通过狭缝时也能发生类似的干涉图样。粒子在通过狭缝时也能发生类似的干涉图样。物质波的提出和证实思考题思考题1、2、物质波的提出和证实物质波的提出和证实物质波的提出和证实一、物质波的提出一、物质波的提出二、物质波理论的实验证实二、物质波理论的实验证实 三、物质波的应用三、物质波的应用 物质波的提出和证实 德布罗意德布罗意 (Louis Victor de (Louis Victor de Broglie, 1892-1987)Broglie, 1892-1987)，法国著名，法国著名理论物理学家，理论物理
6、学家，19291929年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，学奖获得者，波动力学的创始人，物质波理论的创立者，量子力学的物质波理论的创立者，量子力学的奠基人之一奠基人之一 一、物质波的提出一、物质波的提出物质波的提出和证实德布罗意德布罗意1892年年8月月15日出生于法国塞纳河畔的蒂厄浦，日出生于法国塞纳河畔的蒂厄浦，是法国一贵族家庭的次子德布罗意家族自是法国一贵族家庭的次子德布罗意家族自17世纪以来在法世纪以来在法国军队、政治、外交方面颇具盛名国军队、政治、外交方面颇具盛名德布罗意从德布罗意从18岁开始在巴黎大学学习理论物理，但是因岁开始在巴黎大学学习理论物理，但是因为打算沿
7、其家族传统，以后从事外交活动，他也学习历史，为打算沿其家族传统，以后从事外交活动，他也学习历史，并且于并且于1909年获得历史学位由于他哥哥（年获得历史学位由于他哥哥（M德布罗意）德布罗意）是一位实验物理学家，拥有设备精良的私人实验室，从事物是一位实验物理学家，拥有设备精良的私人实验室，从事物理实验研究因而德布罗意也深受影响理实验研究因而德布罗意也深受影响物质波的提出和证实 在德布罗意之前，人们对自然界的认识，只局限于两种在德布罗意之前，人们对自然界的认识，只局限于两种基本的物质类型：基本的物质类型：实物和场实物和场前者由原子、电子等粒子构成，前者由原子、电子等粒子构成，光则属于后者但是，许多
8、实验结果之间出现了难以解释的光则属于后者但是，许多实验结果之间出现了难以解释的矛盾矛盾（人们认识到光的波粒二象性另一方面，在关于原子（人们认识到光的波粒二象性另一方面，在关于原子结构的研究中，把原子中的电子看作粒子，并人为地引入量结构的研究中，把原子中的电子看作粒子，并人为地引入量子化条件，虽然获得了解释线光谱的成功，但在概念上和在子化条件，虽然获得了解释线光谱的成功，但在概念上和在解决一些细致的涉及原子结构的问题上却都遇到了很大的困解决一些细致的涉及原子结构的问题上却都遇到了很大的困难）难）物理学家们相信，这些表面上的矛盾，势必有其深刻物理学家们相信，这些表面上的矛盾，势必有其深刻的根源的根
9、源 物质波的提出和证实1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，人们对于光子建立起来的两个关系式会不会也适用于设想，人们对于光子建立起来的两个关系式会不会也适用于实物粒子实物粒子对光本性的认识同时，受到他哥哥的影响，参与一些物对光本性的认识同时，受到他哥哥的影响，参与一些物理研究工作理研究工作从他哥哥那里德布罗意了解到普朗克和爱因斯从他哥哥那里德布罗意了解到普朗克和爱因斯坦关于量子方面的工作坦关于量子方面的工作，这些引起了他对物理学的极大兴趣，这些引起了他对物理学的极大兴趣经过一翻思想斗争之后，德布罗意终于放弃了已决定的研经过一翻思想斗争
10、之后，德布罗意终于放弃了已决定的研究法国历史的计划，选择了物理学的研究道路，并且希望通究法国历史的计划，选择了物理学的研究道路，并且希望通过物理学研究获得博士学位过物理学研究获得博士学位物质波的提出和证实 德布罗意开始研究物理学时，适逢现代物理学发生深德布罗意开始研究物理学时，适逢现代物理学发生深刻革命的时期刻革命的时期19001900年，普朗克研究黑体辐射时假定谐振年，普朗克研究黑体辐射时假定谐振子取分立的能量，提出量子的概念，由此出发，他推导出子取分立的能量，提出量子的概念，由此出发，他推导出能够描述黑体辐射规律的普朗克黑体辐射公式能够描述黑体辐射规律的普朗克黑体辐射公式 但是，人们并没有
11、认识能量子的重要性，只把能量子但是，人们并没有认识能量子的重要性，只把能量子看作仅仅是在支配物质和辐射相互作用过程中是合适的，看作仅仅是在支配物质和辐射相互作用过程中是合适的，频率为频率为v v的物质振子仅仅以的物质振子仅仅以hvhv的倍数发射或吸收能量直的倍数发射或吸收能量直到到19051905年，量子概念才发生了重要发展年，量子概念才发生了重要发展物质波的提出和证实1905年，爱因斯坦发表了题为年，爱因斯坦发表了题为关于光的产生和转化关于光的产生和转化的一个启发性观点的一个启发性观点的论文，文中通过对黑体辐射的研究的论文，文中通过对黑体辐射的研究和论证，得到并提出了光量子的概念，并用它成功
12、地解释和论证，得到并提出了光量子的概念，并用它成功地解释了光电效应了光电效应 这一工作的意义之一在于，光量子的概念是在分析和这一工作的意义之一在于，光量子的概念是在分析和研究黑体辐射基础上得到的，表明量子概念具有比较普遍研究黑体辐射基础上得到的，表明量子概念具有比较普遍的意义的意义爱因斯坦认为：密度小的单色辐射，从其热现象爱因斯坦认为：密度小的单色辐射，从其热现象方面的行为看，仿佛是由一些独立的能量所组成方面的行为看，仿佛是由一些独立的能量所组成 物质波的提出和证实 二十世纪初期，人们通过对二十世纪初期，人们通过对X X射线的研究认识到，射线的研究认识到，X X射线射线具有时而象波、时而象粒子
13、的奇特性质具有时而象波、时而象粒子的奇特性质 1913 1913年，年，玻尔玻尔提出原子中的电子运动的量子化条件，原提出原子中的电子运动的量子化条件，原子中的电子只有可能进行某些运动，成功地解释了氢原子光子中的电子只有可能进行某些运动，成功地解释了氢原子光谱玻尔的量子化条件没有理论基础，是人为规定的谱玻尔的量子化条件没有理论基础，是人为规定的物质波的提出和证实 1919 191919221922年，法国物理学家年，法国物理学家布里渊布里渊提出了一个解释玻提出了一个解释玻尔量于化条件的理论布里渊把电子和波作为一个整体进行尔量于化条件的理论布里渊把电子和波作为一个整体进行研究，设想在原子核周围存在
14、着一层以太，电子在其中运动研究，设想在原子核周围存在着一层以太，电子在其中运动掀起波，这些波相互干涉在原子核周围形成驻波这些研究掀起波，这些波相互干涉在原子核周围形成驻波这些研究成果，尤其是布里渊的理论对德布罗意提出物质波思想产生成果，尤其是布里渊的理论对德布罗意提出物质波思想产生巨大影响巨大影响物质波的提出和证实 德布罗意重新开始研究理论物理，物理学面临着的主要德布罗意重新开始研究理论物理，物理学面临着的主要困难是：困难是：对于光需要有微粒说和波动说两种理论对于光需要有微粒说和波动说两种理论；确定原子；确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，这些都是当时人们无法理解中电子的稳定运动涉及到整数，这
15、些都是当时人们无法理解的事实的事实德布罗意首先考察光量子理论和玻尔的量子化条件德布罗意首先考察光量子理论和玻尔的量子化条件确定光微粒能量的表达式是确定光微粒能量的表达式是Ehv，这个公式中包含着频率，这个公式中包含着频率v v，而纯粹的粒子理论不包含频率的因素；确定原子中电子的，而纯粹的粒子理论不包含频率的因素；确定原子中电子的稳定运动涉及到整数，而物理学中涉及到整数的只是干涉现稳定运动涉及到整数，而物理学中涉及到整数的只是干涉现象和本征振动现象象和本征振动现象物质波的提出和证实 这些结果使德布罗意想到，这些结果使德布罗意想到，对于光需要同时引进粒子的概对于光需要同时引进粒子的概念和周期的概念
16、；对于电子不能简单地用微粒来描述电子本身，念和周期的概念；对于电子不能简单地用微粒来描述电子本身，还必须赋予它们周期的概念还必须赋予它们周期的概念于是，德布罗意形成了指导他进于是，德布罗意形成了指导他进行研究的全部概念：行研究的全部概念：在所有情况下，都必须假设微粒伴随着波在所有情况下，都必须假设微粒伴随着波而存在而存在，他的首要目的就是建立微粒的运动和缔合波的传播之，他的首要目的就是建立微粒的运动和缔合波的传播之间的对应关系间的对应关系 1923 1923年夏末，德布罗意已开始形成他的相波（后来他称为年夏末，德布罗意已开始形成他的相波（后来他称为相位波）概念，相位波）概念，9 9月月1010
17、日，他发表了关于物质波理论的第一篇日，他发表了关于物质波理论的第一篇论文论文 波和量子波和量子，文中提出的思想可以被看作是波动，文中提出的思想可以被看作是波动力学理论的开端力学理论的开端 物质波的提出和证实 两个星期后，德布罗意又发表了两个星期后，德布罗意又发表了光量子、衍射和干光量子、衍射和干涉涉的论文，明确提出相干波的概念文中明确指出：要的论文，明确提出相干波的概念文中明确指出：要描述一个动点的运动，观察者必须将这一运动与一个非物描述一个动点的运动，观察者必须将这一运动与一个非物质的、在同一方向上传播的正弦波联系起来在观察者看质的、在同一方向上传播的正弦波联系起来在观察者看来，这一波的频率
18、等于上述动点的总能量除以普朗克常量来，这一波的频率等于上述动点的总能量除以普朗克常量h h同年同年1010月月8 8日，德布罗意发表关于物质波理论的第三篇论日，德布罗意发表关于物质波理论的第三篇论文文量子、气体运动理论以及费马原理量子、气体运动理论以及费马原理文中阐述了波文中阐述了波与粒子的对应关系，他假定与任何粒子相联系的相波，在与粒子的对应关系，他假定与任何粒子相联系的相波，在空间任何点与粒子同相位相波的频率与速度由粒子的能空间任何点与粒子同相位相波的频率与速度由粒子的能量和速度所决定量和速度所决定物质波的提出和证实 德布罗意的这三篇论文是物质波理论奠基工作的开端德布罗意的这三篇论文是物质
19、波理论奠基工作的开端继这三篇论文之后，德布罗意着手撰写他的博士论文量子继这三篇论文之后，德布罗意着手撰写他的博士论文量子理论的研究理论的研究19241924年年1111月，德布罗意通过论文答辩，获博月，德布罗意通过论文答辩，获博士学位他的博士论文包括了近两年研究的一些成果，比较士学位他的博士论文包括了近两年研究的一些成果，比较系统地论述了物质波理论，得到物质波的一些重要结果系统地论述了物质波理论，得到物质波的一些重要结果德德布罗意认为，任何运动着的物体都伴随着一种波动，而且不布罗意认为，任何运动着的物体都伴随着一种波动，而且不可能将物体的运动和波的传播分开，这种波称为相位波可能将物体的运动和波
20、的传播分开，这种波称为相位波存存在相位波是物体的能量和动量同时满足量子条件和相对论关在相位波是物体的能量和动量同时满足量子条件和相对论关系的必然结果系的必然结果 物质波的提出和证实 德布罗意大胆地提出了德布罗意大胆地提出了物质波物质波假设，假设，动量动量 （m m为为质量，质量，v v为速度）的粒子与一个为速度）的粒子与一个波长波长为为 的波动有着的波动有着 的关系这个关系后来被称为德布罗意关系，与粒子相联系的关系这个关系后来被称为德布罗意关系，与粒子相联系的这种波称为的这种波称为德布罗意波德布罗意波 物质波的提出和证实二、物质波理论的实验证实二、物质波理论的实验证实 德布罗意撰写论文时，他的
21、哥哥（德布罗意撰写论文时，他的哥哥（M.德布罗意）建议德布罗意）建议他的论文应包括实验部分，可是他没有采纳这个建议他的论文应包括实验部分，可是他没有采纳这个建议他的他的物质波理论是在没有得到任何已知事实支持的情况下提出来物质波理论是在没有得到任何已知事实支持的情况下提出来的，的，这就使得答辩委员会对物质波的真实性存在疑虑，答辩这就使得答辩委员会对物质波的真实性存在疑虑，答辩委员会主席佩兰就提出了物质波如何用实验来证实的问题委员会主席佩兰就提出了物质波如何用实验来证实的问题对佩兰的提问，对佩兰的提问，德布罗意回答：用晶体对电子的衍射实验验德布罗意回答：用晶体对电子的衍射实验验德布罗意回答：用晶体
22、对电子的衍射实验验德布罗意回答：用晶体对电子的衍射实验验证物质波的存在是可能的证物质波的存在是可能的证物质波的存在是可能的证物质波的存在是可能的物质波的提出和证实 德布罗意德布罗意的这个思想是早已形成的，他曾在的这个思想是早已形成的，他曾在1923年年9月月24日光量子、衍射和干涉一文中指出：从很小的孔穿过的日光量子、衍射和干涉一文中指出：从很小的孔穿过的电子束，可能产生衍射现象，这也许会成为在实验上验证物电子束，可能产生衍射现象，这也许会成为在实验上验证物质具有波粒二象性的方法他还曾向他哥哥的同事道维里叶质具有波粒二象性的方法他还曾向他哥哥的同事道维里叶提出做电子的衍射实验，后者因忙于其它实
23、验而将其搁置提出做电子的衍射实验，后者因忙于其它实验而将其搁置 物质波的提出和证实按照德布罗意理论，经过几千伏加速电压的电子束，其波按照德布罗意理论，经过几千伏加速电压的电子束，其波长数量级为长数量级为10-10米，这与米，这与X射线的波长是同一个数量级，因而射线的波长是同一个数量级，因而可以用晶体对电子的衍射实验验证物质波可以用晶体对电子的衍射实验验证物质波德布罗意的理论一传到美国，就在纽约开始了显示电子衍德布罗意的理论一传到美国，就在纽约开始了显示电子衍射的实验射的实验 （1）1927年戴维孙和革末以加速后电子投射到镍晶体上进年戴维孙和革末以加速后电子投射到镍晶体上进行电子衍射实验行电子衍
24、射实验物质波的提出和证实d=0.091nm(晶面间距晶面间距),电子对晶面的掠射角电子对晶面的掠射角由布拉格方程：由布拉格方程：对应对应k=1一级衍射最大：一级衍射最大：=0.165nm 物质波的提出和证实因为因为德布罗意公式德布罗意公式: 两者结果惊人相似，戴维孙和革末实验证实了德布罗意波两者结果惊人相似，戴维孙和革末实验证实了德布罗意波物质波的提出和证实 （2 2） G.P. G.P.汤姆逊电子衍射实验汤姆逊电子衍射实验 1927 1927年年 G.P. G.P.汤姆逊（汤姆逊（J.J.J.J.汤姆逊之子）汤姆逊之子） 也独立完成了电也独立完成了电子衍射实验与子衍射实验与 C.J. C.J
25、.戴维森共获戴维森共获 1937 1937 年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 物质波的提出和证实 物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明 第一台电子显微镜是由德国第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡鲁斯卡（ERuska）研制研制成功，荣获成功，荣获19861986年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2 m0.2 m，最大放大倍，最大放大倍数也只有数也只有10001000倍左右倍左右 自从发现电子有波
26、动性后，电子束德布罗意波长比光自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜制造出用电子波代替光波的电子显微镜三、物质波的应用三、物质波的应用物质波的提出和证实物质波的提出和证实物质波的提出和证实物质波的提出和证实 自从自从18951895年伦琴年伦琴(Rontgen(Rontgen，18451923)18451923)发现发现X X射线以后，射线以后，对对X X射线的研究就成了一个非常热门的课题据射线的研究就成了一个非常热门的课题据X X射线与射线与射线射线及
27、及射线从放射性原子中射出，以及射线从放射性原子中射出，以及X X射线通过气体时具有电射线通过气体时具有电离气体的能力等性质来判断，离气体的能力等性质来判断，X X射线显然是一种粒子流射线显然是一种粒子流19111911年，布拉格年，布拉格(W(WH HBraggBragg，18621942)18621942)在一篇题为在一篇题为射线、射线、X X射线粒子假设的结论和射线粒子假设的结论和射线的种类的论文中写道：射线的种类的论文中写道：“一一束束X X射线为一束射线为一束射线提供能量；同样，在射线提供能量；同样，在X X射线管中，一束射线管中，一束射线激发一束射线激发一束X X射线射线次级次级射线
28、的速率是与射线的速率是与X X射线通过的距射线通过的距离无关的，因此离无关的，因此X X射线的能量在运动中不会扩散，这就是说，射线的能量在运动中不会扩散，这就是说，这是一种粒子这是一种粒子”2 19121914”2 19121914年间，莫塞莱年间，莫塞莱(Moseley)(Moseley)利利用用X X射线波谱验证了玻尔模型，又发现了射线波谱验证了玻尔模型，又发现了X X射线谱的频率正比于射线谱的频率正比于原子序数原子序数Z Z的平方，再一次揭示了的平方，再一次揭示了X X射线的射线的粒子性粒子性19121912年劳厄年劳厄(Laue 18791960)(Laue 18791960)提出如果提出如果X X射线是波长极短的电磁波，它通射线是波长极短的电磁波，它通过晶体会产生衍射现象这一设想被在实验室工作的弗里德里过晶体会产生衍射现象这一设想被在实验室工作的弗里德里希希(Friedrich)(Friedrich)和克尼平和克尼平(Knipping)(Knipping)证实证实当当X X射线通过晶体时，射线通过晶体时，发现了明显的衍射现象，有力地显示了发现了明显的衍射现象，有力地显示了X X射线的波动性射线的波动性返回返回物质波的提出和证实
