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波粒二象性

波粒二象性

波粒二象性的概念是指光同时具有粒子和波的性质。它还说小粒子比如电子既像波又像粒子。

这个想法是由路易斯·德布罗意在他的博士论文中概述一些实验结果时提出的。D布罗意的想法与爱因斯坦的想法相似,即光,被认为是一种波,也可以被描述为一种具有固定能量的粒子,称为“波”量子

光的波粒二象性

直到20世纪初,人们都认为它是以波的形式传播的。只有在德布罗意发现它的25年前粒子爱因斯坦研究过的波状行为光电效应,假设光是由一小束光组成的粒子能量等于它频率f普朗克常数h这彻底改变了我们对光的理解,现在光也可以被描述为粒子。

波粒二象性的历史

在19世纪初,科学家们相信成为粒子。甚至是概念,比如真空和作为电磁频谱的一部分,尚未建立。光的概念同时具有粒子和波的性质,以及小的性质粒子具有光的特性,导致了几个重要的发展:

  • 托马斯年轻演示了如何是一种波动现象。
  • 阿尔伯特·爱因斯坦提出,是由小的粒子被称为量子。
  • 路易·德布罗意提出了一种理论来解释这一点粒子具有波状性质。
  • 克林顿Davisson佩吉特汤姆森而且莱斯特Germer完成进行了电子实验衍射模式。

微粒理论

一开始,有人提出光是由在空间中运动的小粒子组成的。这个理论试图将光解释为粒子在充满宇宙的介质中传播,这种介质被命名为以太。

然而,关于光是小物体的微粒理论并不能解释光的所有性质,例如,如果波没有在水中传播,它们进入水中时是如何降低速度和改变方向的。反对微粒理论的一个重要论点是无法解释衍射的光。

波粒二象性,通过单一狭缝显示光衍射的图表,StudySmarter衍射不能用微粒理论来解释。在光折射,光粒子进入一个小的缝隙,应该作为一个单一的光束通过。然而,粒子以一种被称为衍射的现象传播,就像海浪穿过海湾一样

的实验托马斯年轻

由英国科学家托马斯·杨进行的实验提供了一种对光的新认识。的实验很简单,但也很聪明。让一束光通过一系列板上的一个小孔,他观察到波状行为的模式。

如果光是一个粒子,它就可以简单地穿过,并在敞开的缝隙上显示出来。然而,如果光是一种波,它就会在缝隙后传播,呈现出一种干扰杨获得了干扰模式这证实了光的行为像波。

波粒二象性,光图显示光的干涉模式,StudySmarter托马斯·杨的实验证明了干涉的模式。表现得像波,因为在通过小孔后,衍射导致一些区域(红色)放大,而另一些区域(绿色)无效。这与海浪的行为类似,两个波峰相互放大,而一个波峰和一个波谷相互抵消

爱因斯坦的贡献

爱因斯坦提出由小的粒子它的能量取决于它的频率。

他的思想是与他在光电方面的工作有关的效果.这是期待更强烈会让电子跳得更多,但这并没有发生。只有当光的频率增加时,电子才会从金属板上跳开。

因此,爱因斯坦提出,是一种叫做量子的粒子的能量撞击了金属板,而正是这种能量导致了电子从金属板中喷射出来。

路易斯·德布罗意的贡献

在描述了电子撞击晶体后如何分散之后,德布罗意发展了一种理论,他提出光既表现为波又表现为粒子。他发现电子的色散呈波状分布提出了速度与质量的关系式粒子用它们的波长。

电子衍射实验

克林顿·戴维森、佩吉特·汤姆森和莱斯特·格默进行了实验,他们将电子发射到晶体上。电子并没有撞击晶体,而是穿过了材料,在撞击后呈现出波浪状的图案。

这些衍射戴维森和其他人进行的实验最终证实了电子可以像波一样运动。

波粒二象性,显示电子衍射和干涉图案的图表,StudySmarter衍射电子束实验证实了波粒二象性。粒子通过两条狭缝,撞击被记录在一个盘子上。一个干扰发现了一种模式,表明电子可以像波一样运动

波和粒子之间的关系是什么?

德布罗意的结论是,如果电子的行为像波一样,粒子有一个波长。他连接了能量的波长粒子以一定动能运动的粒子的能量。这告诉我们光子能量必须是给予粒子使其运动的能量。

光子或波的能量

在这种情况下这可以看作是一种电磁波,它的能量与其波长成反比,波长越小,能量就越大。在下面的计算中,λ是光子的波长,单位是米,而h和c是普朗克常数和的速度,其值为:

粒子的能量

爱因斯坦推导出了粒子的能量与其质量m(以千克为单位)之间的关系。E是以焦耳为单位的能量,c是光在真空中的速度。

这就是说静止粒子的质量具有能量等价。

波长粒子能量关系

我们可以简单地说,粒子和光子的能量是相同的。

质量是m,粒子速度是v,撞击粒子的光子波长为λ,h而且c的速度和普朗克常数是多少在真空中。

为了得到粒子的相关波长,我们使两个公式相等,并求解波长λ

化简后,我们得到:

这里,c可以和v,也就是运动粒子的固有速度。

这个波长被称为de粒子的布罗意波长

计算移动电子的波长

你有一个电子以10%的速度移动然后计算它的波长。你知道的速度,即普朗克常数,以及电子的质量,大约是9.1⋅10^-31千克。

把所有的值加起来,你得到:

正如你所看到的,这个波长非常小,与电子的波长成反比动力

波粒二象性-关键要点

  • 粒子而且具有使它们同时表现为波和粒子的特性。
  • 粒子有一个相关的波长,称为“德布罗意波长”。
  • 一个重要的实验证实了这一点是一个波被双缝实验吗由托马斯·杨设计。这是他提出了光是具有固定能量的小粒子的概念。
  • 波粒二象性是由几位科学家通过实验发现的,但是德布罗意提出了波长与每个粒子相关联的概念。
  • 粒子的波长与其能量成反比。

波粒二象性的常见问题

波粒二象性是指在量子力学中,任何物体都可以表现为波和粒子。

从托马斯·杨到莱斯特·格默,许多研究者在没有完全理解它的情况下观察到了波粒二象性。这个概念不是由他们中的任何一个人提出的,而是基于许多科学家的贡献,包括路易·德布罗意。

是的,他们有。

电磁辐射是由被称为光子的能量/粒子产生的,在其传播过程中表现得像波一样。

最后的波粒二象性测验

问题

说出进行双缝实验的科学家的名字。

显示答案

回答

托马斯年轻。

显示的问题

问题

波粒二象性的概念是什么?

显示答案

回答

它说光和原子粒子既可以表现为粒子,也可以表现为波。

显示的问题

问题

什么是德布罗意波长?

显示答案

回答

它是与粒子有关的波长。

显示的问题

问题

帮助发现电子波粒二象性的实验叫什么?

显示答案

回答

衍射实验。

显示的问题

问题

微粒理论是什么?

显示答案

回答

这个理论认为光是由穿越空间的小粒子组成的。

显示的问题

问题

根据微粒理论,光通过哪种介质传播?

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回答

乙醚。

显示的问题

问题

说出两个微粒理论无法解释的效应?

显示答案

回答

为什么光会折射,为什么它在水中传播得更慢。

显示的问题

问题

光子的行为像粒子还是像波?

显示答案

回答

光子既可以表现为粒子,也可以表现为波。

显示的问题

问题

托马斯·杨观察到的什么效应使他意识到光的行为像波?

显示答案

回答

干涉图案。

显示的问题

问题

说出三位进行过衍射实验的科学家的名字。

显示答案

回答

克林顿·戴维森,佩吉特·汤姆森和莱斯特·格默。

显示的问题

问题

在衍射实验中,当电子撞击晶体时,它们是简单地散射,还是呈现出一种波衍射模式?

显示答案

回答

他们呈现出一种波的衍射图样。

显示的问题

问题

德布罗意的波长与哪种粒子性质成反比?

显示答案

回答

它的动量。

显示的问题

问题

如果德布罗意的波长与其动量成反比,那么它也将与粒子的其他两个性质成反比。命名这些属性。

显示答案

回答

速度和质量。

显示的问题

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