4-05粒子的波动性和量子力学的建立-2022-2023学年高二物理精编动态课件（人教版2019选择性必修第三册）

05.粒子的波动性和量子力学的建立 图片区 1 2023/2/26 根据所学知识回顾，光的发展史。 1672牛顿—微粒说 1905爱因斯坦—光子说 1922康普顿—康普顿效应 1690惠更斯—波动说 1801托马斯·杨—双缝干涉实验 1814菲涅耳—单缝衍射 1864麦克斯韦—光的电磁说 1888赫兹—电磁波实验 光具有波粒二象性 时间轴 粒子派 波动派 粒子性 波动性 注意：h起桥梁作用 λ越大，波动性越强 v越大，粒子性越强 一.粒子的波动性 1924年，法国物理学家德布罗 意提出假设：实物粒子也具有 波动性。粒子的能量ε和动量p 跟它所对应的波的频率v和波 长λ之间，遵从如下关系： 这种与实物粒子相联系的波后 来被称为德布罗意波，也叫作 物质波。 德布罗意 1892—1987 二.物质波的实验验证 1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别用单晶体和多晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，从而证实了电子的波动性。 后来人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。 1929年，德布罗意因提出物质波的假说获得了诺贝尔物理学奖。 1937年戴维孙和G.P.汤姆孙因证实电子波动性获得了的诺贝尔物理学奖。 二.物质波的实验验证 除了电子以外，后来还陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性。 问题：宏观物体有波动性吗？ 答：宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长就很短，根本无法观察到它的波动性。 问题：一个质量为0.01kg，速度为300m/s的子弹，它的德布罗意波长有多大？一个原来静止的电子，在经过100V电压加速后，德布罗意波长有多大？ 答：约为2.2×10-34m，无法观察到它的波动性； 约为0.12nm，有可能观察到电子的波动性。 德布罗意提出物质波的观念被实验证实，表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质。换句话说，它们和光一样，也具有波粒二象性。 三.量子力学的建立 黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题经典物理学无法解释。微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。 普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假 说等一系列理论在解释实验方面都取得 了成功。但它们中的每一个，都是针对 一个特定的具体问题，都不是统一的普 遍性理论。值得注意的是，在这些成功 的理论中，普朗克常量都扮演了关键性 的角色。这就预示着这些理论之间存在 着紧密的内在联系。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。 三.量子力学的建立 1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造，使之可以适用于更普遍的情况。他们建立的理论被称为矩阵力学。 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。把这个方程应用于氢原子，就很容易能得到氢原子光谱的公式。同时，这个方程还可以方便地应用于其他的系统，使玻尔理论的局限得以消除。由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。 1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，波动力学和矩阵力学在数学上是等价的，它们是同一种理论的两种表达方式。 随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。 量子力学继承了早期量子论的成功之处并克服了其困难和局限，最终取代了早期量子论，成为统一描述微观世界物理规律的普遍理论。 四.量子力学的应用 量子力学推动了核物理和粒子物理的发展——核能的利用 量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展——激光、核磁共振、原子钟 量子力学推动了固体物理的发展——大规模集成电路（芯片）、半导体发光技术 量子力学的应用还有很多。毫不夸张地说， 在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了 人类的进步。“一步一重天，百步上云端”， 人类探索自然的步伐不会停息，量子力学必将 在这个征途上继续发挥巨大的基础性作用。 例1. 质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？ 解：约为2.2×10-34m； 由于子弹的德布罗意波长极短，比宏观物体的尺度小得多，我们不能观察到其衍射现象； 由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。 例2.关于粒子的波动性，下列说法正确的是（