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1、17.3崭新的一页: 粒子的波动性,德布罗意 (de Broglie, 1892-1987),- 光的认识发展史- 什么是光？ 光是什么？ 让我们 抚去岁月的风尘 打开历史的卷面 踏着前人的足迹 回顾一下光学说的发展,3,1621年荷兰科学家菲涅耳（W. snell, 15801626）从实验归纳出反射定律、折射定律，在此基础上诞生了几何光学。,早在我国先秦时代（公元前400382年），墨经中就详细论述了光的直线传播、光的反射以及平面镜、凹面镜和凸面镜的成像规律。而在之后约一百年，古希腊的欧几里德也专门著书光学，对人眼为何能看到物体、光的反射性质、球面镜焦点等问题进行了探讨。,光学发展史,一、
2、几何光学时期,光是什么?,4,二、光的微粒说和波动说,1668年英国科学家牛顿（Newton）提出光的微粒说， 1678年荷兰物理学家惠更斯（Huygens）提出光的波动说。两种学说的争论持续了几个世纪，起初微粒说占优，到19世纪初，人们对光本质的认识逐渐趋向于波动说。下表例举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出时的出发点和存在的问题：,牛顿(Newton),光是一种粒子!,光是一种波!,惠更斯(Huygens),5,微粒说,支持者,波动说,牛顿（Newton） 毕奥（Biot） 拉普拉斯（Laplace） 泊松（Poission） 马吕斯（Malus）,胡克（Hooke） 惠更斯
3、（Huygens） 托马斯杨（T.Young） 夫琅和费(Fraunhofer) 菲涅耳（Fresnel） 傅科（Foucault）,能够解释/无法解释（刚提出时）,光的直线传播 光的反射 光的折射 光在折射率大的介质中传播 速率小 光的干涉,光的直线传播 光的反射 光的折射 光在折射率大的介质中 传播速率小【该结论于1862年 被傅科实验所证实】,6,对光的波动说给予有力支持的几个实验： 1、 1801年托马斯 杨（Thomas Young）完成了著名的“杨氏”实验，并提出了干涉原理； 2、 1809年，马吕斯（Malus）发现了光的横波性；（尽管马吕斯当时认为他的发现是对波动说有力的驳斥）
4、 3、 1815年，菲涅耳（Fresnel）综合了惠更斯子波假设和杨氏干涉原理，用次波干涉理论成功地解释了光的直线传播规律，并且定量地说明了光的衍射图样光强分布规律（如泊松亮斑）。,7,赫兹（Hertz ）,麦克斯韦（Maxwell ）,1860年，麦克斯韦总结出麦克斯韦方程组，得出电磁波在真空中传播的速度等于光速 c ，从而预言光是一种电磁波。1888年赫兹用实验证实了麦克斯韦的预言。,通过大量实践可知，红外线、紫外线和X 射线等都是电磁波，它们的区别仅是频率（波长）不同而已，从而使光的波动理论成为电磁理论的一部分。,三、光的电磁学说,光是一种电磁波。,你的预言是对的！,8,四、量子光学时期
5、,19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质的相互作用的微观结构中。一些新的实验，如热辐射、光电效应和康普顿效应等，用经典电磁波理论都无法解释。,1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。,普朗克（Planck）,爱因斯坦（Einstein）,康普顿（Compton）,9,从光学发展史可以看出，光的干涉、衍射、偏振等现象证实了光的波动性，而黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的微粒性，光具有“波粒二相性”（Wave-particle dua
6、lity）。光在传播的过程中主要表现出波动性，而在与物质相互作用时主要表现出微粒性。,10,密立根 光电效应实验,光学发展史,T/年,波动性,粒子性,1801,托马斯杨 双缝干涉 实验,1814,菲涅耳 衍射实验,赫兹 电磁波实验,赫兹 发现光电效应,康普顿效应,牛顿微粒说占主导地位,波动说 渐成真理,11,有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：光是波还是粒子？ 布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。” 那么光的本性到底是什么？,光的本性,粒子性,波动性,（具有能量）,（具有频率）,（具有动量）,h 架起了粒子性与波动性之间的
7、桥梁,一.光的波粒二象性,（具有波长）,频率低、波长长，波动性较明显,频率高、波长短，粒子性较明显,光具有波粒二象性,14,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，用类比方法分析问题。 1924年，他考虑到普朗克量子爱因斯坦光子理论的成功在博士论文关于量子理论的研究中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子，如电子，质子等。于是他提出实物粒子也具有波动性。这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波. 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。,二.粒子的波粒二象性
8、,一个质量为 m 的实物粒子以速率 v 运动时,即具有以能量和动量 p 所描述的粒子性，同时也具有以频率 v 和波长所描述的波动性。,与粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波.,爱因斯坦 德布罗意关系式,二.粒子的波粒二象性,1929年,德布罗意荣获诺贝尔物理学奖，在颁奖仪式上，主席奥西恩无限感慨地说:“如果诗人把我们的人生比作是波，改为我们是波才更为贴切。”,既然一切运动的物体都具有波动性，那么宏观物体为什么仅表现出粒子性，而没有表现出波动性呢？,下面通过两个例子来进行说明。,17,如：速度 = 5.0102m/s飞行的子弹，质量为m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为：,如：电子m=9.1
9、10-31Kg，速度 = 5.0107m/s， 对应的德布罗意波长为：,太小测不到！,X射线波段,宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。,18,例2 乒乓球的质量为2.0g,速度为5m/s,求德布罗意波长 ？,解,普朗克常数值极小，宏观物体的波长太短,到现在为止，我们无法观察到宏观物体的波动性。,由德布罗意公式,19,例：静止的电子经电场加速，加速电势差为U，速度 c。求：德布罗意波长。不考虑相对论效应,解：,要观察电子的波性，必须利用晶体进行类似于X射线的衍射实验。,20,可获得电子在不同电压下的波长,与x射线的波长相当,二.粒子的波粒二象性,由于德布罗意博士论文独创性，得到了答辩委员会
10、的高度评价，但是人们总觉得他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？ 如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？,三.物质波的实验验证,1. 电子衍射实验,1927年，戴维孙和汤姆孙进行了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。,电子衍射图样,1927年，G.P.汤姆孙令一电子束通过薄铝箔，结果发现，同X射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。,电子衍射实验,多晶 铝 箔,电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象,G.P.汤姆孙（1927）,约恩孙（Claus Jnsson 1960）,单缝衍射,双缝衍射,三缝衍射,四缝衍射,25,三.物质波的实验验证,至此，微观粒子具有波粒二象性的理论得到了公认。电子衍射、中子衍射、原子和分子束在晶体表面散射所产生的衍射实验都获得了成功。,电子显微镜 电子在两个电极间加速，由于电压越高，电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨能力就越强。,电子显微镜下的灰尘,