汤姆孙电子衍射试验课件.ppt

1、8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程 思想方法思想方法 自然界在许多方自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类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；究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；在实物在实物理论上，是否发生了相反的错误呢理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关是不是我们关于于粒子粒子的图象想得太多的图象想得太多 ，而过分地，而过分地忽略了波的忽略了波的图象图象呢？

2、呢？”法国物理学家德法国物理学家德布布罗意罗意（Louis Victor de Broglie 1892 1987)德布罗意为此获得1929年诺贝尔物理学奖。8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程光的波粒二象性电磁波电磁波光光 子子光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性 波长频率波速 动质量能量动量 波的干涉波的衍射横波偏振有波动参量 如：有波的行为特性 如：有粒子参量 如：有粒子的行为特性 如：黑体辐射光电效应康普顿效应，光的这种双重特性，称为光的。既具有又具有8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明

3、物理学简明物理学教程教程一、德布罗意假设一、德布罗意假设（1924 年年）德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性.hE hp hmchE2mvhph 德布罗意公式德布罗意公式 2）宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测）宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性.注注 意意0mmcv1）若）若 则则若若 则则cv0mm 8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程例如例如:电子经电势差为电子经电势差为U的电场加速的电场加速,在在v c下下,此电子

4、的德布罗意波长为此电子的德布罗意波长为:eUvmEk=21=2002meUv Uemhvmh002=Uemh120 nm22.1U 如如U=200V,则则nm1063.8nm2001.22nm22.12-U 如如U=150V,则则 =0.1nm与与X射线同数量级射线同数量级.8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程*二德布罗意波的实验证明二德布罗意波的实验证明戴维孙戴维孙 革末电子衍射实验（革末电子衍射实验（1927年）年）I35 54 75V/U50 当散射角当散射角 时时电流与加速电压曲线电流与加速电压曲线50检测器检测器电子束电子束

5、散散射射线线电子被镍晶体衍射实验电子被镍晶体衍射实验MUKG电子枪电子枪8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程kd2cos2sin2kdsin.d2222sind50,1km1015.210d镍晶体镍晶体m1065.1sin10dm1067.1210keeEmhmhv电子波的波长电子波的波长 两相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件两相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程2 G.P.汤姆孙电子衍射实验汤姆孙电子衍射实验 (1927年年)emUkhd2

6、1sinemUdkh21sink777.0sin当当 时，时，与实验结果相近与实验结果相近.51777.0arcsin1kUMDP电子束透过多晶铝箔的衍射电子束透过多晶铝箔的衍射K双缝衍射图双缝衍射图8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程电子衍射附图一X射线衍射射线衍射电子衍射电子衍射1927年，年，G.P.汤姆孙汤姆孙等等令一电子束通过薄铝箔，结果发现，令一电子束通过薄铝箔，结果发现，同同X X射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动

7、学简明物理学简明物理学教程教程电子衍射附图二电子在氧化镁晶体半平面电子在氧化镁晶体半平面的直边衍射的直边衍射氧化锌晶体对电子的衍射氧化锌晶体对电子的衍射钨钨晶体薄片对电子的衍射晶体薄片对电子的衍射由于电子进入到晶体内部时容易被吸收，人们通常采用极薄的晶片，或让电子束以掠入射的形式从晶体表面掠过，使电子只与晶体最外层的原子产生衍射，从而成功地观察到多种晶体的电子衍射图样。8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程电子及中子衍射NaClNaCl晶体的中子衍射晶体的中子衍射UOUO2晶体的电子衍射晶体的电子衍射电子衍射、中子衍射、原子和分子束在晶

8、体表面散射所产生的衍射实验都获得了成功。微观粒子具有波粒二象性的理论得到了公认。8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程 解解 在热平衡状态时在热平衡状态时,按照能均分定理慢中子的平按照能均分定理慢中子的平均平动动能可表示为均平动动能可表示为试计算试计算温度为温度为 时慢中子的德布罗意波长时慢中子的德布罗意波长.C25K,298 TeV1085.3232kTkg1067.127n m124nsmkg1054.42mpnm146.0ph慢中子的德布罗意波长慢中子的德布罗意波长三三 应用举例应用举例 1932年德国人鲁斯卡成功研制了电子显微镜

9、年德国人鲁斯卡成功研制了电子显微镜;1981年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔制成了扫瞄隧道显微镜年德国人宾尼希和瑞士人罗雷尔制成了扫瞄隧道显微镜.8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程试计算温度为试计算温度为270c时对应于方均根速率的时对应于方均根速率的氧分子的德布罗意波长氧分子的德布罗意波长.解解:对对1molr的理想气体有的理想气体有:代入代入数据数据:氧分子的德布罗意波长氧分子的德布罗意波长:=0.026nm与与X射线同数量级射线同数量级,因此穿过晶片可产生衍射图样因此穿过晶片可产生衍射图样.方均根速率为方均根速率为:Ek=mv2/

10、2=3kT/2kTMhNvNMhmvhphmolAsAmols3=smolvMkTv=3=2则则8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程*四四德布罗意波的统计解释德布罗意波的统计解释 经典经典粒子粒子 不被分割的整体，有确定位置和运动不被分割的整体，有确定位置和运动轨道轨道；经典经典的波的波 某种实际的物理量的空间分布作周某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有相干叠加性期性的变化，波具有相干叠加性.二象性二象性 要求将要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上.1926 年玻恩提出年玻恩提

11、出 德布罗意波是德布罗意波是概率概率波波.统计解释：统计解释：在某处德布罗意波的强度是与粒子在在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近出现的概率成正比的该处邻近出现的概率成正比的.概率概念的哲学意义：概率概念的哲学意义：在已知给定条件下，不在已知给定条件下，不可能精确地预知结果，只能预言某些可能的结果的可能精确地预知结果，只能预言某些可能的结果的概率概率.8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程二象性统计解释令入射光极弱，光子数目极少，光子将会在屏上出现的确切位置无法预测。双缝干涉实验*光的波粒二象性的统计观点解释摄影底板或显微观察延长曝光时间，可发现在光波干涉理论算得的各明纹区域，光子出现的概率最大；各暗纹区域，光子出现的概率最小。继续延长曝光时间，可得到名暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。光子的行为不能用经典粒子的运动状态参量描述和准确预测；光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。8-6 8-6 波粒二象性波粒二象性第一章第一章质点运动学质点运动学简明物理学简明物理学教程教程光子衍射单 缝 衍 射 像圆孔衍射像 在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。