§17-1實(shí)物粒子的波粒二象性 德布羅意波

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1、第十七章量子力學(xué)基礎(chǔ)量子力學(xué)是描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。它是現(xiàn)代物理學(xué)的理論支柱之一,被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)及高新技術(shù)等許多領(lǐng)域。本章主要介紹量子力學(xué)的基本概念及原理,并通過幾個(gè)具體事例的討論來說明量子力學(xué)處理問題的一般方法。既然光具有波粒二象性,那么實(shí)物粒子,如電子,是否也具有波粒二象性?指靜止質(zhì)量不為零的粒子。如:電子、質(zhì)子、介子、中子、分子、原子等。自然界在許多方面都是明顯對(duì)稱的?!?7-1實(shí)物粒子的波粒二象性德布羅意波1924年,德布羅意大膽地提出實(shí)物粒子也具有波粒二象性。一、物質(zhì)波假說物質(zhì)波假

2、說:實(shí)物粒子具有波動(dòng)性.P219,第1段倒數(shù)1,2行,式17.1a17.1b一個(gè)能量為E,動(dòng)量為p的實(shí)物粒子,相當(dāng)于一頻率?和波長?的平面波,它們之間的關(guān)系為:德布羅意因這一開創(chuàng)性工作獲1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。德布羅意關(guān)系式或波矢量;式中,角頻率;為粒子運(yùn)動(dòng)方向的單位矢量?=和E=mc2hp是近代物理學(xué)中兩個(gè)最重要的公式,前者通過h(很小的量)把粒子性和波動(dòng)性聯(lián)系起來;后者通過c(很大的量)把能量和質(zhì)量聯(lián)系起來。在表面上完全不同的物理量之間找到內(nèi)在的聯(lián)系,是物理學(xué)的一大勝利!量子化和波粒二象性是量子力學(xué)中最基本的兩

3、個(gè)概念,而同一個(gè)常數(shù)h在兩個(gè)概念中都起著關(guān)鍵的作用,說明兩概念間有深刻的內(nèi)在聯(lián)系。在任何表達(dá)式中,只要有h出現(xiàn),就必然意味著此表達(dá)式具有量子力學(xué)的特征。說明:1)與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波,稱為德布羅意波(物質(zhì)波);其波長稱為德布羅意波長。2)德布羅意波長討論:a)對(duì)非相對(duì)論粒子(v<

4、式,可得應(yīng)用:電子顯微鏡(波長10-2~10-3nm).(題庫)例2電子顯微鏡中的電子從靜止開始通過電勢(shì)差為U的靜電場加速后,其德布羅意波長是0.4,則U約為(A)150V(B)330V(C)630V(D)940V解選(D)940V(庫)ZP39,7例3乒乓球的質(zhì)量為2.0g,速度為5m/s,求:德布羅意波長?解指出:因?yàn)槠绽士顺A縣極小,所以宏觀物體相應(yīng)的物質(zhì)波波長太短,在通常情況下不會(huì)顯示其波動(dòng)性,這也是物質(zhì)波存在,而長期未被發(fā)現(xiàn)的原因。(自由粒子的德布羅意波長P220表17—1)由德布羅意公式解:圓周運(yùn)動(dòng):?(

5、A)例4若?粒子(電量為2e)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場中沿半徑為R的圓形軌道運(yùn)動(dòng),則?粒子的德布羅意波長是(A)h/2eRB(B)h/eRB(C)1/2eRBh(D)1/eRBh[思考]若考慮相對(duì)論效應(yīng),結(jié)果?德布羅意波長例4ZP29,8解:例5低速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子和?粒子,若它們的德布羅意波長相同,則它們的動(dòng)量之比pp:p?=;動(dòng)能之比Ekp:Ek?=.⑴由德布羅意波長?=h/p因?p=??,則得到pp:p?=1:1⑵在粒子運(yùn)動(dòng)速度不太大時(shí),由上面計(jì)算pp=p?,所以Ekp:Ek?=m?:mp=4:1[思考]若動(dòng)能相同

6、,則pp:p?=??p:??=?(庫)例6已知中子的質(zhì)量m=1.67×10-27㎏,當(dāng)中子的動(dòng)能等于溫度為T=300K的熱平衡中子氣體的平均動(dòng)能時(shí),其德布羅意波長為多少?解:熱中子是指在室溫下(T=300K)與周圍處于熱平衡的中子,它的平均動(dòng)能:或(庫)例6ZP32,30例6已知中子的質(zhì)量m=1.67×10-27㎏,當(dāng)中子的動(dòng)能等于溫度為T=300K的熱平衡中子氣體的平均動(dòng)能時(shí),其德布羅意波長為多少?解:熱中子是指在室溫下(T=300K)與周圍處于熱平衡的中子,它的平均動(dòng)能:(庫)例6ZP32,30例7當(dāng)電子的德布羅

7、意波長與可見光波長(λ=5500)相同時(shí),求它的動(dòng)能是多少電子伏特?解(庫)作業(yè)ZP44,6,ZP33,32BZP38,1-7ZP43-44,1-6例8靜止質(zhì)量不為零的微觀粒子作高速運(yùn)動(dòng),則粒子物質(zhì)波的波長?與速度v有如下關(guān)系:(B)(D)解:?(C)[思考]若作低速運(yùn)動(dòng),則?與v的關(guān)系?(A)(C)(庫)05年ZP39,9例9德布羅意把氫原子的定態(tài)與駐波聯(lián)系起來.解由德布羅意波可以推出玻爾氫原子理論中軌道角動(dòng)量量子化的條件.穩(wěn)定圓周運(yùn)動(dòng)軌道必須滿足駐波條件.繞原子核傳播一周之后,駐波應(yīng)光滑地銜接起來,這就要求圓周是

8、波長的整數(shù)倍.角動(dòng)量量子化條件電子繞核運(yùn)動(dòng)其德布羅意波長為駐波條件要求軌道圓周是波長的整數(shù)倍二、實(shí)物粒子波動(dòng)性的驗(yàn)證實(shí)物粒子的波動(dòng)性,當(dāng)時(shí)是作為一個(gè)假設(shè)提出來的,直到1927年戴維孫和革末用電子衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了德布羅意假設(shè)。1)實(shí)驗(yàn)裝置1.戴維孫—革末電子衍射實(shí)驗(yàn)(1927年)實(shí)驗(yàn)研究了慢電子在單晶體上反射時(shí)產(chǎn)生的電子衍射現(xiàn)象.P220倒數(shù)第2段

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