(讲义)第4章 5 粒子的波动性和量子力学的建立-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第三册(人教版2019)

5．粒子的波动性和量子力学的建立 1．知道实物粒子的波动性假设和实验验证。 2．知道实物粒子和光一样也具有波粒二象性。 3．体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响。 　粒子的波动性　物质波的实验验证 1．粒子的波动性 (1)德布罗意波 1924年法国巴黎大学的德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性，每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波，也叫物质波。 (2)物质波的波长、频率关系式 ν＝，λ＝。 2．物质波的实验验证 (1)实验探究思路 干涉、衍射是波特有的现象，如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。 (2)实验验证 1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，得到了电子的衍射图样，如图所示，证实了电子的波动性。 (3)说明 ①人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。对于这些粒子，德布罗意给出的ν＝和λ＝关系同样正确。 ②宏观物体的质量比微观粒子大得多，运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长很小，根本无法观察到它的波动性。 提醒：所有物体都具有波动性和粒子性。 根据测算，羽毛球离拍时的最大速度可达到288 km/h，羽毛球的质量为5.0 g，普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s。 【问题】 (1)求德布罗意波的波长。 (2)能否观察到羽毛球的波动性？ 提示：(1)羽毛球的速度v＝288 km/h＝80 m/s，其德布罗意波的波长λ＝＝＝ m≈1.66×10-33 m。 (2)波长太短，无法观察到羽毛球的波动性。 1．物质的分类 (1)由分子、原子、电子、质子及由这些粒子组成的物质。 (2)“场”也是物质，像电场、磁场、电磁场这种看不见的，不是由实物粒子组成的，而是一种客观存在的特殊物质。 2．物质波的普遍性：任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，我们之所以观察不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体对应的波长太小。 3．求解物质波波长 (1)根据已知条件，写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p＝mv。 (2)根据波长公式λ＝求解。 (3)注意区分光子和微观粒子的能量和动量的不同表达式。如光子的能量：ε＝hν，动量p＝；微观粒子的动能：Ek＝mv2，动量p＝mv。 (4)一般宏观物体物质波的波长很短，波动性很不明显，难以观察到其衍射现象，如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。 【典例1】　(2021·浙江6月选考)已知普朗克常量h＝6.63×10-34 J·s，电子的质量为9.11×10-31 kg。一个电子和一滴直径约为4 μm的油滴具有相同动能，则电子与油滴的德布罗意波长之比的数量级为(　　) A．10-8　　　B．106　　　C．108　　　D．1016 C　[根据公式λ＝＝，可知动能相同时λ∝。油的密度ρ约为0.8×103 kg/m3，油滴的体积为V＝π，则m油＝ρV≈2.7×10-14 kg，电子和油滴的德布罗意波长之比为＝＝≈1.7×108，即对应的数量级为108，C正确。] [跟进训练] 1．用很弱的光做双缝干涉实验，把入射光减弱到可以认为光源和感光胶片之间不可能同时有两个光子存在，如图所示为不同数量的光子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　) A．光只有粒子性没有波动性 B．少量光子的运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性 C．光只有波动性没有粒子性 D．少量光子的运动显示波动性，大量光子的运动显示粒子性 B　[由于光的传播不是连续的而是一份一份的，每一份就是一个光子，所以每次通过狭缝只有一个光子，当一个光子到达某一位置时，该位置感光而留下痕迹，由于单个光子表现粒子性，即每一个光子所到达的区域是不确定的，但是大量光子表现出波动性，所以长时间曝光后最终形成了第三个图片中明暗相间的条纹，故该实验说明了光具有波粒二象性，故A、C、D错误，B正确。] 　量子力学的建立及应用 1．量子力学的建立 (1)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。 (2)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。 2．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。 (2)量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。 (3)量子力学推动了固体物理的发展。 1．描述微观世界的需要 (1)经典物理学的困惑 在和原子、分子等微观粒子的行为紧密相关的各类系统中，普遍存在运用经典物理学无法解释的现象。如黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。 (2)旧量子论的提出 普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电