4.5粒子的波动性和量子力学的建立-2021-2022学年高二物理精品课件（2019人教版选择性必修第三册）

第四章 原子结构和波粒二象性 4.5粒子的波动性和量子力学的建立 晓峰物理 通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么，实物粒子是否也会同时具有波动性呢？ 情景引入 电磁波 光 子 光的波动性 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 波动参量 波的行为特性 粒子参量 粒子的行为特性 黑体辐射 光电效应 康普顿效应 温故知新 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 l 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，可得到明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。 拓展学习 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。 拓展学习 一、粒子的波动性 他提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。 1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。 德布罗意，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。 这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。 粒子性 波动性 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 实物粒子具有波粒二象性。 二、物质波的实验验证 1、实验思路 找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样 物质波验证方法： 波的干涉 波的衍射 波的行为特性 单缝宽 0.8mm 单缝宽 0.4mm 其德布罗意波的波长为： 则质量 运动速率 静止质量 若已知 m0， v。 若 对于一个自由的实物粒子 运动动能 静止质量 若已知 m0， Ek 则动量大小为 其德布罗意波的波长为： 若 则 拓展学习 2、某电子的动能Ek=100eV，求它的德布罗意波长。 已知电子的静止质量m0e=9.11×10-31kg 与 X 射线的波长相近，其波动性不可忽略。 1eV= 1.6×10-19J 解析： 波长短到无法检测，其波动性可以忽略。 1、某子弹的质量m0=0.01kg，v=400m/s，求它的德布罗意波长。 普朗克常量h=6.63×10-34J · s 解析： 拓展学习 X射线照在晶体上可以产生衍射 若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。 X射线衍射图样 X射线的频率范围30PHz~300EHz，对应波长为1pm~10nm，能量为124eV~1.24MeV。 0.1nm 拓展学习 二、物质波的实验验证 2、实验验证 1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 ⑴实物粒子的衍射图样 汤姆孙 戴维孙 电子束穿过铝箔后的衍射 二、物质波的实验验证 2、实验验证 ⑴实物粒子的干涉图样 大量电子的一次行为 在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。 【例题1】下列关于德布罗意波的认识正确的是(　　) A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波 B.X光的衍射证实了物质波的假设是正确的 C.电子的衍射证实了物质波的假设是正确的 D.宏观物体运动时,看不到它的衍射或干涉现象,所以宏观物体不具有波动性 解析： 运动的物体才具有波动性，A项错；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D项错；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B项错；只有C项正确。 C 典例解析 三、量子力学的建立 1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。   1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程。 波动力学 在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。 普朗克黑体辐射理论 爱因斯坦光电效应理论 德布罗意物质波假说 玻