4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 课件-2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 1. 哪些现象证明光光具有波动性？ 哪些现象证明光光具有粒子性？ 光的干涉实验、衍射实验、光的偏振现象 光电效应、康普顿效应 知识回顾 光的本质: 光具有波粒二象性，光具有粒子性同时也具有波动性。 ⑴大量光子产生的效果显示波动性；个别光子产生的效果显示粒子性。 ⑵波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。 ⑶光在空间传播时显示波动性；与物质微粒作用时显示粒子性。 2. 光子能量的计算公式？ 光子动量的计算公式？ 光子能量：ε mc2 hν 光子动量： ε、P 是描述粒子性的 ν、λ 是描述波动性的 h粒子性与波动性联系起来 1924年法国的德布罗意把波粒二象性推广到实物粒子, 认为实物粒子也具有波动性。 一、粒子的波动性 1. 德布罗意波 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，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 用能量ε和动量p来表征实物粒子的粒子性，用频率ν 和波长λ来表征实物粒子的波动性，那么，对光适用的关系也适用于实物粒子，即 说明：实物粒子是静止质量不为零的那些微观粒子 二、物质波的实验验证 1927年戴维孙和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，证实了电子的波动性。后来，科学家们还陆续证实了中子、质子、原子及分子的波动性。 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，一切实物粒子都有具有波粒二象性。 【例1】一质量为m =1×10-2kg，速度υ = 3.0102m/s飞行的子弹的德布罗意波长是多少？ 【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是多少？ 太小，无法观测到波动性 能观察到电子的波动性 宏观物体对应的德布罗意波的波长很短，无法观测到它的波动性，所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。 求解物质波波长的方法：   （1）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的缘故。 （2）德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。 （3）德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广，使之包括了所有的物质粒子，即光子与实物粒子都具有粒子性，又都具有波动性，与光子对应的波是电磁波，与实物粒子对应的波是物质波。 对德布罗意波的理解 三、量子力学的建立 【思考】下面是我们在本章学习的一些 理论，它们有什么共同点？ 1、经典物理学无法解释相关现象； 2、这些理论中，普朗克常量都扮演了关键性的角色。 这些理论都是针对一个个特定的具体问题，但它们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。 1925年，德国物理学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。它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，就能很快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，以玻恩、海森堡、薛定谔、英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善和最终完整地建立起来，它被称为量子力学。 【意义】量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命.它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础. 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 量子力学 使我们认识了微观层次的物质结构 促进天文学和宇宙学的研究 促进粒子物理学的发展 推动核物理发展 让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量——核能 “这是人们第一次利用太阳以外的能量。” 2. 量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展 人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。在此基础上，发展了各样各式的对原子和电磁场