为什么说光有波粒二象性

为什么说光有波粒二象性_光的波粒二象性

光的波粒二象性 ━━本章总结一部光学说的发展史，就是人类认识光本性的认识史。让我们再次作一个简略的回顾，肯 定比第一课有更深刻的理解。

光的干涉、衍射有力地证明光是一种波。但它是一种什么性质的波泥？ 两种不同的光波理论 １、 惠更斯的波动说──把光看作是某种在介质中传播的波。

这是一种典型的机械波观念， 需借助介质，且波是连续的。

２、麦克斯韦的电磁说──把光波看作是一种电磁波。

两种观点的争论焦点是：光波传播是否需要介质？⑴、寻找这种介质“以太”的彻底失败 （本来无一物，何来自寻烦？） 。⑵、电磁波本身就是物质，自身携带能量，无须借助介质传 播。⑶、但还有另一个主要问题还未解决，光波是否就是电磁波？麦克斯韦的电磁场理论证明 了电磁场的速度等于光速，并由此看到了两者间的联系。赫兹又从实验得到了证实，光的行为 与电磁波的行为一致， 从而在理论和实验上证明了光确实是一种电磁波。

它揭露了光现象的电 磁本质，把光、电、磁统一起来，加深了我们对物质世界的联系和认识。光的电磁说是对光的 波动说的扬弃，保留了波的特质，抛弃了它机械振动、传播连续的成份。

光电效应现象对光的电磁说提出了严重的挑战。使我们不得不再回到微粒说方面来。

３、牛顿的微说──把光看作沿直线传播的粒子流。它带有明显的机械运动的痕迹，也无 法解释光的干涉、衍射这些现象。但这个学说中仍含有其合理的成份，这就是光的粒子性。

４、爱恩斯坦抛弃了牛顿微说中机械运动的成份，吸收了（对方──波动说）电磁辐射量 子化的研究成果，把电磁辐射量子化转变、发展成为光行为的量子化，即光子说，重新恢复了 光的粒子性的权威。

但是，光子的物质性、不连续性并非牛顿微粒说意义下的实物粒子，光子没有静止质量， 就个别光子而言，它与宏观质点的运动不同，没有一定的轨道，因而无法对个别光子的行为作 出“科学的”预测，它的行为不服从牛顿经典力学。光子说使光的粒子性有了新质的内容。

５、 在对光本性的认识过程中， 惠更斯的波动说和牛顿的微粒说是相互排斥、 相互对立的。

后来发展成为光的电磁说和光子说。

人们发现， 这两种相互对立的学说彼此都含有对方的成份， 无法划清界线，更无法绝对独立，谁都不能说自己就是客观真理。光学说发展到此，已无法逃 避辩证的综合。中国有句古话，叫做两极相通。人们终于明白，光的波动性和粒子性，不过是 光这一客观事物矛盾对立的两个方面，它们共存于光这个统一体中，是矛盾的对立统一，彼此 以对方存在为前提，这就是光的波粒二象性。它排除了非此即彼的形而上学观念（这正是形式 逻辑的重大特征！，建立了亦此亦彼的辩证观念，即在一定条件下承认非此即彼，在另一条件 ） 下又承认亦此亦彼。对光来说，一定条件下（大量光子、传播过程、低频率光）波动性上升为 矛盾主要方面，则波动性显著；而在另一条件下（个别光子、光与物质作用、高频率光子）粒 子性上升为矛盾主要方面， 则粒子性显著。

所谓彼一时也， 此一时也， 在微观世界里也存在着。

在宏观物体来说不可思议的波粒二象性， 在微观世界里却是真实的图景。

矛盾啊！ 然而是事实。

只有辩证思维才可以把握。恩格斯曾经指出： “常识在它自己的日常活动范围内是极可尊敬的 东西，但它一跨入广阔的研究领域，就会遇到惊人的变故。形而上学的思维方式，虽然在相当 广泛、各依对象的性质而大小不同的领域是正当的，甚至是必要的，可是它每一次迟早都要达到一个界限，一超过这个界限，它就要变成片面的、狭隘的，并且陷入不可解决的矛盾，?? （ 《反杜林论》P.19.） 一切都依时间、地点、条件为转移，所以要对具体问题作具体析，才能准确把握对象的情 况，作出正确的认识。

６、 （１） 、光子说并没有否定电磁说。光子有能量Ｅ＝ｈυ ＝ｈｃ／λ ，光子有动量ｐ＝ ｈυ /ｃ＝ｈ/λ ，Ｅ、Ｐ是粒子特征，υ 、λ 是波的特征。它们共同揭示了光的波粒二象性， 在这两个公式中，光的波粒二象性被很好地统一起来。彼此含有对方的成份，无法分开。

（２）课文Ｐ２５１介绍了一个光的波粒二象性怎样统一起来的绝妙实验， 从中得出个别 光子的行为粒子性显著，大量光子的行为波动性显著。可见，对于宏观物体来说不可想象的波 粒二象性，在微观世界中却是不可避免的事实。这里只有一个质的差别：不能把光波看作宏观 力学中的介质波、连续波，也不能把光子当作宏观世界中的实物粒子、质点。随着研究对象的 不同，我们的观念，方法也要变，宏观现象和微观现象的研究方法、理解方式是很不相同的。

（３）从各种频率的电磁波的探测来理解 光子能量 （数量级） 到 无线电波 性 可 见 光 性 100 ev 性 Ｘ 射 线 性 γ 性 从表中实验观察结果可以看出：频率低的光波动性显著，频率高的光子性显著。

总之，要理解多种频率的电磁波（或者说各种频率的光子） ，就必须综合运用波动观点和 粒子观点，这是由于二者是光不可分割的属性，即波粒二象性。至此，我们终于认识到微观世 界具有的特殊规律。

７、下面对光的波粒二象性作个简短的总结： （１） 、光波有一定的频率和波长，光子有一定的能量和动量，是个矛盾对立的统一体， 彼此含有对方的成份，共存于光的统一体中。Ｅ＝ｈυ ＝ｈｃ／λ ，ｐ＝ｈυ ／ｃ＝ｈ／λ 。

（２）只有一个差异：在一定条件下波动性显著，在另一条件下粒子性显著，即我们观察 到这对矛盾的主要方面。具体地说就是： 光在传播过程中波动性显著，光在与物质作用时粒子性表现显著。

大量光子产生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果则显示出粒子性。

频率越低的光，波动性越显著，频率越高的光，粒子性越显著。

８、光的波粒二象性的革命意义：推广到一切微粒都具有波粒二象性。假说──实验证明 ──成功──假说成了科学──物质波，λ ＝ｈ／ｍｖ。

原来微观世界尽管千差万别，却又有共同的规律── 波粒二象性，这大大扩展和深化了人 射 线 104 ev 个别光子作用 粒子性 波动 103 ev 个别光子作用 粒子性 波动 个别光子作用 粒子性 波动 100 ev 大量光子作用 波动性 粒子 10-9ev 大量光子作用 波动性 粒子 易被探测到 容易观察到 不易观察们对物质世界的认识，并为进一步研究微观世界提供了思想武器。

为什么说光有波粒二象性_对光的波粒二象性的理解与认识(毕业论文)

2013 届本科毕业论文对波粒二象性的理解与认识学院：物 理 与 电 子 工 程 学 院专 业 班 级 ： 物 理 08-8 班 学 生 姓 名 ： 努 尔 麦 麦 提 ·阿 不 都 克 热 木 指导老师：巴哈迪尔老师 答 辩 日 期 ： 2013 年 5 月 11 日新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论新疆师范大学教务处对波粒二象性的理解与认识摘要：波粒二象性是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质。波粒二象性是量 子力学中的一个重要概念。

现代观察认为微观粒子,无论是光子,电子以及其它所 有基本粒子,在极微小的空间内作高速运动时有时显示出波动性(这时粒子性不 显著),有时显示出粒子性(这时波动性不显著).这种在不同条件下分别表现为波 动和粒子的性质,或者说既具有波动性又具有粒子性,就称为波粒二象性(简称象 性)。

波粒二象性理论的提出在物理学的发展史上具有重要意义,本文从人们对光 本性的认识出发,到把波粒二象性推广到一切物质,比较系统地阐述了波粒二象 性理论的产生和发展过程。

在这个过程中探索物理学与哲学的联系，并对其中所 体现的哲学观点做了尝试性总结 关键词：波粒二象性，波动性，粒子性，电子衍射，德布罗意波2新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论目录1.引言.............................................................. 4 2.光的波粒二象性.................................................... 5 2.1 光的波动性. ................................................... 5 2.2 光的粒子性. ................................................... 6 2.3 光的波粒二象性. ............................................... 8 3 电子衍射实验 ..................................................... 10 3.1.电子衍射实验................................................. 10 3.2 实验数据与处理. .............................................. 14 4.波粒二象性的意义和后期成果....................................... 15 5.结论............................................................. 16 参考文献........................................................... 17 致谢............................................................... 183新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论引言1801 年，杨氏进行了著名的杨氏双缝干涉实验。实验所使用的白屏上明暗 相间的黑白条纹证明了光的干涉现象，从而证明了光是一种波。

1882 年德国物理学家施维尔德根据新的光波学说，对光通过光栅后的衍射 现象进行了成功的解释。

1887 年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再一次被证明！ 二十世纪初，普朗克和爱因斯坦提出了光的量子学说 1905 年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得 1921 年 诺贝尔物理奖 在新的事实与理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性” 而落下了帷幕。即：光既是一种波又是一种粒子！光的波动说与微粒说之争从十 七世纪初笛卡儿提出的两点假说开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前 后共经历了三百多年的时间。牛顿、惠更斯、托马斯．杨、菲涅耳等多位著名的 科学家成为这一论战双方的主辩手。

二十世纪来临之时，这个观点面临了一些挑战。1905 年由阿尔伯特·爱因 斯坦 研究的光电效应展示了光粒子性的一面。随后，电子衍射被预言和证实了。

这又展现了原来被认为是粒子的电子波动性的一面。

这个波与粒子的困扰终于在 二十世纪初由量子力学的建立所解决，即所谓波粒二象性。它提供了一个理论框 架， 使得任何物质在一定的环境下都能够表现出这两种性质。量子力学认为自然 界所有的粒子 ，如光子、电子 或是原子，都能用一个微分方程，如薛定谔方程 来描述。这个方程的解即为波函数，它描述了粒子的状态。波函数具有叠加性， 即，它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时，波函数也被解释为描述粒子出现 在特定位置的几率幅。这样，粒子性和波动性就统一在同一个解释中。4新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论光的波粒二象性光的波动性光的干涉 人类对光的本性的研究，持续了几百年的历史，至今仍有争论的余味。在 牛顿时期，光的粒子学说站住这主导地位。在同一时代里，尽管有人提出了光的 波动性，但是由于权威效应，一致未得矛以承认。

。直到托马斯·杨利用光的波 动假说成功的解释了干涉图详的形成，尤其是菲涅耳发展了惠更斯原理，对光的 衍射现象的成功解释， 使得光的波动说否定了以牛顿为代表的微粒说（其根本原 因是牛顿的微粒说不能很好地解释光的干涉和衍射现象） 1801 年杨氏最先得到两列想干的光波，并且最早以正确的形式确立了光波 叠加原理，用光的波动性解释了干涉现象。他用强烈的单色光照射到如图所示的开由小孔 S 的不透明光板上， 后面放着另一块光板， 开有两个小孔 S1 和 S2 。在杨氏试验装置中 S1 和 S2 可以认为是两个次波的波源，因为他们都是从5新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论同一个光源 S 而来的，所以永远有恒定的相位关系，装着中 S, S1 , S2 都足够小 并且相互平行狭缝，用单色光照射时，屏幕上出现明暗明暗地干涉条纹。

因为干涉是波动的特性，所以杨氏实验能够证明光具有波动性。

光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕到障 碍物阴影里去的现象。这种现象叫光的衍射 波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。

只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才 能观察到明显的衍射现象。一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象 一切波都能发生衍射， 通过衍射把能量传到阴影区域，能够发生明显衍射的 条件是障碍物或孔的尺寸跟波长差不多光的粒子性1905 年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得 1921 年 诺贝尔物理奖。

光电效应 光照射到金属上， 引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们 统称为光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电 效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

光电效应里电子的射出方向不是完全定向的， 只是大部分都垂直于金属表面 射出，与光照方向无关。光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很 小，不会对电子射出方向产生影响。6新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是 光的干涉和衍射。

只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电 子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的 光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。

在入射光一定时，增大光电管两极 的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大， 要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。

所以，当入 射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面 积的光能） 决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属 表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位 时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大 爱因斯坦方程：?? ? 1 2 mv +I+W 21 式中 mv 2 是脱出物体的光电子的初动能。金属内部有大量的自由电子，这是金 2 1 属的特征，因而对于金属来说，I 项可以略去，爱因斯坦方程成为 Hv = mv 2 +W 2假如 Hv <W,电子就不能脱出金属的表面。对于一定的金属，产生光电效应的最小 光频率(极限频率) v0 。由 H v0 =W 确定。相应的极限波长为 ?0 ?c ?c = 。

发 v0 W光强度增加使照射到物体上的光子的数量增加， 因而发射的光电子数和照射光的 强度成正比。算式在以爱因斯坦方式量化分析光电效应时使用以下算式： 光子 能量= 移出一个电子所需的能量+ 被发射的电子的动能代数形式： H f =φ +Em7新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论φ = H f01 Em= mv 2 其中 h 是普朗克常数， H ? 6.63 ?10?34 J ? S ， f 是入射光 2子的频率，φ 是功函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量， f0 是光 电效应发生的阀值频率，Em 是被射出的电子的最大动能， m 是被发射电子的静 止质量， v 是被发射电子的速度光的波粒二象性经过二百多年的研究,二十世纪初,人们终于认识到光既具有波动性,又具有 粒子性.一般说来,与光的传播有关的现象,如干涉,衍射,偏振等是光的波动性的突 出表现.而涉及光和实物互相作用有关的现象如发射,吸收等现象是光的粒子性的 突出表现.所以光既是一种电磁波又是光子流,既具有波动性又具有粒子性,即具 有波粒二象性.而且表征粒子性的物理量(能量 E,动量 P)和表征波动性的物理量 (频率 υ,波长 λ)之间有如下关系： E = hυ P = mν （υ 为波的频率） (ν 为微粒的运动速度) （λ 为微粒波的波长) （1） （2） （3)??h h ? p mv普朗克常数(h)把光的波动性和粒子性定量地联系起来了,体现了二象性物理 量间的内在联系德布罗意假设：在光的二象性的启发下,法国物理学家德布罗依大胆的提出:电子,质子,中子,原子,分子等静止质量不为零的实物微粒都具有波动的性质.这种伴随实物微 粒运动的波称为德布罗依物质波,因此,适合于光子的三个关系式(1)(2)(3)也适合于实物微粒. 一个质量为 m,运动速度为 ν 的实物微粒,其动量 P=mν，故:??h h ? p mv（4）8新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论式(4)称为德布罗依关系式,表示物质波的波长可由质量 m 和运动速度 ν 来求 算. 当电子的速度不太高时： 可知电子的波长与其速度成正比，而电子速度从加速电压得到电子的动能 1 2 mv ? eU （5） 2将 2 式带入 1 式得??把 m 0 =9.017 ?10?31h 2m 0 eU，e=1.602 ?10?19（6）?34千克Ch=6.626 ?10j?s带入（6）式得到电子的波长 为：??150 12.25 ? v v（7）对一个静止质量为 m 0 的电子，当加速电压在 30 kV 时，电子的运动速度得大，已经接 近光速，由于电子的速度加大而起的电子质量的变化就不可忽略，根据狭义相对论，电子的 质量为：m?m0 v2 1? c（8）C 代表光速在空气中的速度（c= 2.998 ?108 m ? s ?1 ）把（8）式带入（4）式。即可得到电子的波长：??2 h h v ? 1 ?2 mv m v c 0（9）在实验室中,电子的动能由加速电压所决定,所以电子能量的增加等于电场对电子所做的 功.e U ? m c?[ 01 v2 1? 2 c?1 ](10)9新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论v2 从(10)式可得电子的速度和 1 ? 2 的表示式为： ce m0 2ev v? m0? (1 ? e m0 1? v 2c 2 v 2 ) c2（11）1?把（11） （12）代入（9）式得到：m0c 2 v2 = c2 eU ? m0c 2（12）??h e 2U 2 2m0 eU ? 2 c（13）e 2U 2 当加速电压 v 得低，即 为无穷小，从（11） （13）式分别得到电子的速度和电子 mc 2波长的经典近似公式：v? ?将 e=1.602 ?1082eU m0h=6.626 ?10?34?? ?j?sh 2m0eU（14）?19C?1m 0 =9.017 ?10?31 千克C= 2.998 ?10 m ? s代入 （13） （14）式得：?? ?12.26 v(1 ? 0.978 ?10?6 )12.26 v?（15）?? ?（16）当电压单位为伏特时，单子波长的单位是埃 ( A )电子衍射实验10新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论实验仪器：电子衍射，真空机组，复合真空计，数码相机，微机实验原理：1927 年美国的戴维森和杰尔麦用电子衍射实验(图 1)证实了电子的波动性。

由于电子波与 X-射线的波长(λ=10-12~10-8m)相近,用电子束代替 X-射线通过衍射 光栅(晶体),投射到屏幕(照相底片)上,就会出现类似的衍射图样,.结果证明电子流 如同 X-射线一样具有波动性.而且求算出的电子的波长与按德布罗依公式预言的 一致,从而证明德布罗依的预言是完全正确的.德布罗依就以这篇毕业论文破天荒 的获得博士学位,并于 1929 年获得诺贝尔物理奖.戴维森和杰尔麦后来也因此获 得诺贝尔奖.1.电子束2.狭缝3.光栅(晶体)4.屏幕电子的波粒二象性波在传播过程中遇到障碍物时会绕过障碍物继续传播， 在经典物理学中称为 波的衍射，光在传播过程表现出波的衍射性，光还表现出干涉和偏振现象，表明 光有波动性； 光电效应揭示光与物质相互作用时表现出粒子性，其能量有一个不 能连续分割的最小单元，即普朗克 1900 年首先作为一个基本假设提出来的普朗 克关系 E 为光子的能量，v 为光的频率，h 为普朗克常数，光具有波粒二象性。

电子在与电磁场相互作用时表现为粒子性， 在另一些相互作用过程中是否会表现 出波动性？德布罗意从光的波粒二象性得到启发，在 1923－1924 年间提出电子 具有波粒二象性的假。E 为电子的能量，为电子的动量，为平面波的圆频率，为 平面波的波矢量，为约化普朗克常数；波矢量的大小与波长 λ 的关系为，称为德 布罗意关系。电子具有波粒二象性的假设。11新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论电子具有波动性假设的实验验证是电子的晶体衍射实验。电子被电场加速 后，电子的动能等于电子的电荷乘加速电压，即考虑到高速运动的相对论效应， 电子的动量由德布罗意关系得真空中的光速 ，电子的静止质量 ，普朗克常数 ， 当电子所受的加速电压为 V 伏特，则电子的动能 ，电子的德布罗意波长， 加速电压为 100 伏特，电子的德布罗意波长为 。要观测到电子波通过光栅 的衍射花样，光栅的光栅常数要做到 的数量级，这是不可能的。晶体中的原子 规则排列起来构成晶格，晶格间距在 的数量级，要观测电子波的衍射，可用晶 体的晶格作为光栅。1927 年戴维孙,革末用单晶体做实验，汤姆逊用多晶体做实 验，均发现了电子在晶体上的衍射，实验验证了电子具有波动性的假设。

普朗克因为发现了能量子获得 1918 年诺贝尔物理学奖；德布罗意提出电子 具有波粒二象性的假设。导致薛定谔波动方程的建立，而获得 1929 年诺贝尔物 理学奖；戴维孙和汤姆逊因发现了电子在晶体上的衍射获得 1937 年诺贝尔物理 学奖。

衍射实验测量电子的波长 由于电子具有波粒二像性， 那么它就应具有衍射现象，电子波的波长一般在 数量级，因此要求光栅系数应具有这个数量级。通过对晶体结构 的研究表明：构成晶体的原子具有规则的内部排列，相临原子间的距离一般为 数量级，因此若一束电子穿过这种晶体薄膜，就会产生电子波的衍射现 象。

原子在晶体中有规则地排列形成各种方向的平行面， 每一族平行面可用密勒 指数 来表示，这使电子的弹性散射波可以在一定方向相互加强，除次之外的方向则很弱， 因而产生电子衍射花样，各晶面的散射线干涉加强的条件是光 程差为波长的整数倍，即布拉格公式： (17)12新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论图1图2式中 d 为相邻晶面的间距，θ 为入射角，n 为整数。当该晶体波膜为多晶波膜时 （见图 1），在多晶波膜内部的各个方向上均有与电子入射线夹角为θ 且满足布 拉格公式的反射晶面，因此电子波的“反射线”形成以入射线为轴线，张角为 4 θ 的衍射圆锥，如图 2，在荧光屏上可观察到一个衍射圆环。在多晶薄膜内部， 有许多平行晶面族（间距为 ）都满足布拉格公式（它们的反射角为），因此在荧光屏上可观察到一组同心衍射圆环，如图 3 所示。图3 在图 3 中，tg 2? ? R L13(18)新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论R 为衍射环的半径，L 为衍射距离。

一般情况下，θ 值很小，所以有： 因此，tg 2? ? 2sin ? ? R L(19)实验中采用的银晶体属于面心立方晶体结构，相邻平行晶面间距为：d? a h2 ? k 2 ? l 2a 为晶体的晶格常数，代入布拉格公式，可得：2aR 2L h ? k ? l2 2 2? n?取 n=1 即利用其第一级布拉格公式反射，便有：??aR L h2 ? k 2 ? l 2实验数据与处理反射平面 H,K,L 111 200 10 KV 220 311 111 200 11 KV 220 311 111 12 KV 200 220 2.828 3.317 1.732 2 2.828 36.90 41.80 20.8 24.9 34.6514加速电压N 2 ? H 2 ? K 2 ? L2环半径 r 平均值 23.45 27.60 38.30 45.00 21.85 26.61德布罗意 公式 0.1327 0.1352? ( A? )波长理论 值误差1.732 2 2.828 3.317 1.732 20.1333 0.1325 0.1329 0.1236 0.1303 0.1263 0.1279 0.1235 0.1175 0.1221 0.1201 0.11960.12268.6%0.1177.9%0.1126.8%新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论3113.31740.200.1188测量衍射环半径 r 已知银晶体格系数 aAg ? 0.40856nm ，镜筒长度 ，利用公式 ? ?aR L h ? k2 ? l22计算得出电子波长。实验结论：与电子波长理论值进行比较，可知德布罗意波确实存在。波粒二象性的意义和后期成果波粒二象性的意义波粒二象性的提出与发展对整个物理学产生了极其深远的影响， 对波粒二象 性的研究， 使得人们站起来一种新的关于微观世界物质运动规律的理论即量子力 学，同时向人们展示了一种新的物理研究方法，这对着对整个物理学来说，无疑 是一次巨大的革命 （一）它实现了波动性与粒子性的空前的统一 （二）它打破了经典理论的观念 （三）对应原理，类比方法等的大量新的研究方法的使用 （四）运用数学方法的新特征波粒二象性的后期成果1920 年丹麦物理学家波尔提出对应原理。1925 年德国物理学家海森堡，利 用波尔的对应原理数学中的矩阵运算，建立了矩阵力学。提出了矩阵力学的基础15新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论理论 1926 年奥地利物理学家薛定谔在仔细研究了德布罗意物质波假说以后，引 入波函数，利用数学中的本正值问题建立了薛定谔方程，由此创立了波动力学。

1926 年波恩在发表文章？《论碰撞过程中的量子力学》中，提出了几率诠 释的概念，把散射波波幅的平方解释为在一个特定方向找到偏斜电子的几率。

几乎同时汤姆孙在偶然的情况下，观察到电子束通过金箱时存在圆环条纹， 从而证明了德布罗意物质波的存在。

德布罗意的关于物质波波粒二象性的理论，使人们意识到自然界的统一性， 提示了物质的世界具有的普遍性原理，促进了科学界对原子理论的研究，而后来 薛定谔就在物质波的基础上建立波动方程的，创立波动力学的。总结首先， 光的波粒二象性是量子力学的重要组成部分，是研究光的本质的重要 环节， 对光的波粒二象性研究包括光的波动性与粒子性， 着重介绍了其发展历程， 并在实验室研究了光的衍射实验与光电效应的近代光学实验， 给出了研究光的波 粒二象性的一种思路。

其次大学毕业论文是对我们四年来所学知识的归纳总结及自我检测， 他所涉 及到的知识多而杂， 他从多个方面考察了我们综合能力。可以说通过本次论文既 对前面所学课程有了系统的复习，也是对自己所学知识的一次系统的梳理，同时 也对很多新知识有了一定的掌握，使自己的专业知识再一次得到提升。16新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论参考文献[1]冯其波.光学测量技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2008 年-5 月第一版. [2](法)0M.francon.物理光学实验[M].北京：机械工业出版社，1979 年 12 月第一版 [3]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2008 年 6 月第四版，2008 年 6 月第一次 [4](德)玻恩,(美)沃耳夫. 北京：光学原理—光的传播、干涉和衍射的电磁理论(第七版) [5]电子工业出版社，2009 年 10 月 [6]杨述武.普通物理实验[M].北京：高等教育出版社，2007 年 12 月（2010 重印 [7] 钱伯初， 《量子力学基本原理及计算方法》 ，甘肃人民出版社，1984 [8] 钱伯初， 《量子力学》 ，电子工业出版社，1993 [9] 钱伯初、曾谨言， 《量子力学习题精选与剖析》 ，上、下册，第二版，科学出版社，1999 [10] 曾谨言、钱伯初， 《量子力学专题分析（上），高教出版社，1990 》17新疆师范大学 2013 届本科毕业生毕业论致谢本学位论文是在我的指导老师巴哈迪尔老师的亲切关怀与细心指导下完成 的。

从课题的选择到论文的最终完成，阿力甫老师始终都给予了细心的指导和不 懈的支持， 并且在耐心指导论文之余， 巴哈迪尔老师仍不忘拓展我们的文化视野， 让我们感受到了文学的美妙与乐趣。值得一提的是，巴哈迪尔老师宅心仁厚，闲 静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的 严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得， 人师难求” ，希望借此机会向巴哈迪尔老师表示最衷心的感谢！ 最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴 趣， 让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完 成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和 工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬和报答他们！！ ！18

为什么说光有波粒二象性_光的波粒二象性教案

光的波粒二象性 教案示例 一、教学目标 1．知识目标 （1）了解微粒说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题． （2）了解波动说的基本观点及对光学现象的解释和所遇到的问题． （3）了解事物的连续性与分立性是相对的，了解光既有波动性，又有粒子 性． （4）了解光是一种概率波． 2．能力目标 培养学生对问题的分析和解决能力， 初步建立光与实物粒子的波粒二象性以 及用概率描述粒子运动的观念． 3．情感目标 理解人类对光的本性的认识和研究经历了一个十分漫长的过程， 这一过程也 是辩证发展的过程．根据事实建立学说，发展学说，或是决定学说的取舍，发现 新的事实，再建立新的学说．人类就是这样通过光的行为，经过分析和研究，逐 渐认识光的本性的． 二、重点、难点分析 1、 这一章的内容， 贯穿一条主线——人类对光的本性的认识的发展过程． 结 合各节内容， 适当穿插物理学史材料是必要的．这种做法不但可使课堂教学主动 活泼，内容丰富，还可以对学生进行唯物辩证思想教育．本节就课本内容，十分 简单，学生学起来十分枯燥．课本所提到的内容，都是结论性的，加入一些史料 不仅可能而且必要． 2、本节中学生初步接触量子化、二象性、概率波等概念，由于没有直接的 生活经验，所以在教学中要重点让学生体会这些概念． 三、主要教学过程 光学现象是与人类的生产和日常生活密切相关的．人类在对光学现象、规律 的研究的同时，也开始了对光本性的探究． 到了 17 世纪，人类对光的本性的认识逐渐形成了两种学说．（一）光的微粒说 一般，人们都认为牛顿是微粒说的代表，牛顿于 1675 年曾提出：“光是一 群难以想象的细微而迅速运动的大小不同的粒子”，这些粒子被发光体“一个接 一个地发射出来”．用这样的观点，解释光的直进性、影的形成等现象是十分方 便的． 在解释光的反射和折射现象时， 同样十分简便． 当光射到两种介质的界面时， 要发生反射和折射．在解释反射现象时，只要假设光的微粒在与介质作用时，其 相互作用，使微粒的速度的竖直分量方向变化，但大小不变；水平分量的大小和 方向均不发生变化（因为在这一方向上没有相互作用），就可以准确地得出光在 反射时，反射角等于入射角这一与实验事实吻合的结论． 说到折射， 笛卡儿曾用类似的假设，成功地得出了入射角正弦与折射角正弦 之比为一常数的结论． 但当光从光疏介质射向光密介质时， 发生的是近法线折射， 即入射角大，折射角小．这时，必须假设光在光密介质的传播速度较光在光疏介 质中的传播速度大才行． 一束光入射到两种介质界面时，既有反射，又有折射．何种情况发生反射， 何种情况下又发生折射呢？微粒说在解释这一点时遇到了很大的困难．为此，牛 顿提出了著名的“猝发理论”．他提出：“每一条光线在通过任何折射面时，便 处于某种为时短暂的过渡性结构和状态之中．在光线的前进过程中，这种状态每 隔相等的间隔（等时或等距）内就复发一次，并使光线在它每一次复发时，容易 透过下一个折射面，而在它（相继）两次复发之间容易被这个面所反射”，“我 将把任何一条光线返回到倾向于反射（的状态）称它为‘容易反射的猝发’，而 把它返回到倾向于透射（的状态）称它为‘容易透射的猝发’，并且把每一次返 回和下一次返回之间所经过的距离称它为‘猝发的间隔’”．如果说“猝发理论” 还能解释反射和折射的话，那么，以微粒说解释两束光相遇后，为何仍能沿原方 向传播这一常见的现象，微粒说则完全无能为力了． （二）光的波动说 关于光的本性， 当时还存在另一种观点， 即光的波动说． 认为光是某种振动， 以波的形式向四周围传播．其代表人物是荷兰物理学家惠更斯．他认为，光是由 发光体的微小粒子的振动在弥漫于一切地方的“以太”介质中传播过程，而不是 像微粒说所设想的像子弹和箭那样的运动．他指出： “假如注意到光线向各个方 向以极高的速度传播， 以及光线从不同的地点甚至是完全相反的地方发出时，光 射线在传播中一条光线穿过另一条光线而相互毫不影响，就能完全明白这一点： 当我们看到发光的物体时， 决不可能是由于从它所发生的物质，像穿过空气的子 弹和箭一样，通过物质迁移所引起的”．他把光比作在水面上投入石块时产生的 同心圆状波纹．发光体中的每一个微粒把振动，通过“以太”这种介质向周围传 播，发出一组组同心的球面波．波面上的每一点，又可以此点为中心，再向外传 播子波．当然，这样的观点解释同时发生反射和折射，比微粒说的“猝发理论” 方便得多，以水波为例，水波在传播时，反射与折射可以同时发生．一列水波在 与另一列水波相遇时，可以毫无影响的相互通过．惠更斯用波动说还解释了光的反射和折射． 但他在解释光自光疏介质射向光 密介质的近法线折射时， 需假设光在光密介质中的传播速度较小．现代光速的测 定表明， 波动说在解释折射时依据的假设是正确的：光在光密介质中传播时光速 较小．但在 17 世纪时，光速的测量尚在起步阶段，谁是谁非，没有定论． 当然， 光的波动说在解释光的直进性和何以能在传播时，会在不透明物体后 留下清晰的影子等问题也遇到困难． 可见，光的微粒说和波动说在解释光学现象时，都各有成功的一面，但都不 能完满地解释当时所了解的各种光学现象． 在其后的 100 多年中， 主要由于牛顿的崇高地位及声望，因而微粒说一直占 主导地位， 波动说发展很缓慢． 人类对光本性的认识， 还期待新的现象的发现． 直 到 19 世纪初，人们发现了光的干涉现象，进一步研究了光的衍射现象．干涉和 衍射是波动的重要特征， 从而光的波动说得到迅速发展．人类对光的本性的认识 达到一个新的阶段． （三）牛顿理论中的波动性思想 作为一代物理学大师的牛顿，是提倡了微粒说，但他却并不排斥波动说．他 根据他所做过的大量实验和缜密的思考，提出了不少卓越的、富有启发性的思 想． 在关于颜色的见解上， 他提出 “不同种类的光线， 是否引起不同大小的振动， 并按其大小而激起不同的颜色感觉， 正像空气的振动按其大小而激起不同的声音 感觉一样？而且是否特别是那些最易折射的光线激起最短的振动以造成深紫色 的感觉，最不易折射的光线激起最长的振动，以造成深红色的感觉，而介于两者 之间的各种光线激起各种中间大小的振动而造成中间颜色的感觉？” 他同时还提出： “扔一块石头到平静的水面中，由此激起的水波将在石头落 水的地方持续一段时间， 并从这里以同心圆的形式在水面上向远处传播．空气用 力撞击所激起的振动和颤动也将持续少许时间， 并从撞击处以同心球的形式传播 到远方，与此相似，当光线射到任何透明体的表面并在那里折射或反射时，是不 是因此就要在反射或折射介质中入射点的地方，激起振动和颤动的波，而且这种 振动总能在那里发生并从那里传播出去．” 在解释光现象中，牛顿还多次提出了周期性的概念．而具有周期性，也是波 动的一个重要特征．提出波动说的惠更斯却否认振动或波动的周期性．因此，对 牛顿来说，在他的微粒说理论中包含有波动说的合理因素．究竟谁是谁非，牛顿 认为 “我只是对尚待发现的光和它对自然结构的那些效果开始作了一些分析，对 它作了几点提示， 而把这些提示留待那些好奇的人们进一步去用实验和观察来加 以证明和改进．”牛顿的严谨，兼收并蓄的科学态度是值得我们学习的，恐怕这 也是他成为物理学大师的原因之一． （四）理解光的波粒二象性1、动画（参考媒体资料中的动画“光的波粒二象性”）：当我们用很弱的 光做双缝干涉实验时， 将感光胶片放在屏的位置上，会看到什么样的照片呢？为 什么会有这种现象？ 分析图片：结论： 1、左侧图片清晰的显示了光的粒子性． 2、 光子落在某些条形区域内的可能性较大 （对于波的干涉即为干涉加强区） ， 说明光子在空间各点出现的可能性的大小可以用波动规律进行解释． 得出：光波是一种概率波，概率表征某一事物出现的可能性． 2、让学生回忆在研究分子热运动时做过的伽尔顿板实验：教师总结：伽尔顿板实验中，单个小球下落的位置是不确定的,但是它落在 中间狭槽的可能性要大一些，即小球落在中间的概率较大． 3、思考与讨论： （书中的思考）根据你的理解，说明概率的意义，举出几个日常生活中的或 科学中的事例， 说明哪些事件是个别出现时看不出什么规律，而大量出现时则显 示出一定的规律性．教师总结： 生活中，涉及概率统计的事件很多，例如：在研究分子热运动时，研究单个 分子的运动是毫无意义的， 需要研究的是大量分子整体表现出来的规律，这叫做 统计规律． 4、让我们换一个角度思考——仍然考虑双缝干涉实验 当光源和感光胶片之间不可能同时有两个和多个光子时， 长时间曝光得到的 照片仍然和光源很强、 曝光时间较短时一样，则光的波动性不是光子之间的相互 作用引起的． 结论：波动性是光子本身的一种属性 （五）方法总结 光既表现出波动性， 又表现出粒子性，由于微观世界的某些属性与宏观世界 不同， 而我们的经验仅局限于宏观物体的运动．在生活中找不到一个既具有粒子 性、又具有波动性的物理模型帮助我们研究光子的规律． 随着人类认识的范围不断扩大，不可能直接感知的事物出现在我们的眼前， 需要我们建立新的模型，提出新的理论来进行研究，对于一种模型，只要能与实 验结果一致，它就能在一定范围内表示所研究对象的规律． 四、例题分析（参考备课资料中的典型例题） 五、教学说明 人类对自然的探索精神，是激励学生学习的动力．自本节起，其后的物理各 章节中，包含了大量的物理学史内容．充分利用这些宝贵资料，恰当结合教材内 容， 既能充分激发学生学习兴趣，又可以自然地对学生进行辩证唯物主义思想教 育，以利于对学生的科学素质和创造性精神的培养． 典型例题 例 1 光的_________和___________现象说明光具有波动性， __________现象 说明光具有粒子性． 我们无法只用其中一种观点说明光的一切行为，因而认为光 具有__________性． 答案：干涉，衍射，光电效应，波粒二象 例 2 根据光与水波的类比， 试解释在浅海滩边，不论海中波浪向什么方向传 播， 当到达岸边时为什么总是沿着大约垂直于岸的方向传来？提示：波在浅水中 传播时，水越浅，波速越小．分析：因为光从光疏介质向光密介质传播时，光的传播速度减小，折射角小 于入射角，折射线向法线靠拢．如果光在折射率逐渐递增的连续介质中传播，可 以设想把连续介质分成许多薄层， 光从折射率较小的薄层逐渐进入折射率较大的 薄层时，折射线会越来越向法线靠拢，最终趋向于接近法线的方向． 从深处向海滩边传播的水波，波速也逐渐减小，根据与光的类比，仿佛进入 折射率逐渐增大的介质， 所以它的传播方向跟垂直海岸的方向线之间的夹角也逐 渐减小，最终必将沿着大约垂直海岸的方向传来，并且，这个结果与海浪向什么 方向传播无关． 水波与光波的类比可用图表示．讨论： 惠更斯通过光波与水波等类比提出光的波动说时，由于当时还无法深 刻认识到光的本性， 从类比得一个错误的结论， 认为光跟声波一样是纵波． 这样， 也就无法用波动说解释横波所特有的偏振等光现象．因此，在当年关于光的本性 的论战中显得被动， 再加上牛顿在科学界的崇高威望，很长一段时期中微粒说处 于主导地位． 例 3 光既具有波动性，又具有粒子性。大量光子表现出的_________强，少 量光子表现出的________强；频率高的光子表现出的_________强，频率低的光 子表现出的_________强． 答案：波动性，粒子性，粒子性，波动性