4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 课件-2022-2023学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 学习目标： 1、了解粒子的波动性 2、理解物质波的概念，知道物质波的实验验证 3、了解量子力学的建立和量子力学的应用 思考与讨论： 新课引入 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？ 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。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： 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。 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长  称为德布罗意波长。 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。 一、粒子的波动性 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。 后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒子都有波动性 实物粒子具有波粒二象性 一、粒子的波动性 例1：一质量为m =1×10-2kg，速度υ = 3.0102m/s飞行的子弹，对应的德布罗意波长为： 例2：电子m=9.110-31kg，由静止经100V电压加速， 对应的德布罗意波长为： 太小，无法观测到波动性 可能观察到电子的波动性 新课讲授 宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性．作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为10－10m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事． 二.物质波的实验验证 实验验证的思路： 　　光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。 德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。 二、物质波的实验验证 1.电子衍射实验： 1927年戴维孙和G. P. 汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似图4.5-1的衍射图样，从而证实了电子的波动性。 3.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。 2.电子德布罗意波的干涉现象。 新课讲授 类似的实验： 1927年，汤姆逊电子衍射实验 1960年， 电子双缝干涉实验 后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也具有波动性。 德布罗意公式成为揭示微观粒子波粒二象性的统一性的基本公式. 3、一切实物粒子都有波动性 　　大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。 由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长 X射线衍射 电子衍射 1927年，G.P.汤姆孙令一电子束通过薄铝箔，结果发现，同X射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。 三、量子力学的建立 1.经典物理学无法解释的现象：黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。 新课讲授 经典物理学无法解释的现象，这就表明，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。 三、量子力学的建立 新课讲授 ε=hν EK=hv-w0 hv=En-Em 2.普朗克常量都扮演了关键性的角色。 三、量子力学的建立 3.量子力学理论的建立 新课讲授 海森堡 玻恩 薛定谔 狄拉克 泡利 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。 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:描述微观世界的理论。 四、量子力学的应用 1.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展 中国第四代核反应堆 新课讲授 四、量子力学的应用 2.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展 核磁共振 铯原子钟 新课讲授 发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术，如激光、核磁共振、原子钟等等。 四、量子力学的应用 3.量子力学推动了固体物理的发展 集成电路 新课讲授 量子力学的创立和索尔维会议 AB 课堂练习 D