4.5粒子的波动性和量子力学的建立 课件 -2024-2025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．知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。 2．知道实物粒子的波动性假设和实验验证。 3．了解量子力学的建立及其应用。 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? 问题导入 一、粒子的波动性 1．德布罗意波：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．粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率ν和波长λ之间的关系：ν＝，λ＝. 3．对物质波的理解 (1)任何物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都存在波动性，这种波叫物质波，其波长λ＝.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． (2)德布罗意假说是光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． 4．计算物质波波长的方法 (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. 二、物质波的实验验证 电子的德布罗意波长： 加速电势差为U，则 可获得电子在不同电压下的波长 与X射线的波长(1pm-10nm)相当 7 二、物质波的实验验证 X射线照在晶体上可以产生衍射 0.1 nm 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 8 二、物质波的实验验证 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 1927年，戴维森和G. P.汤姆孙分别独立完成了电子衍射实验 戴维森 1881-1958，美国 G. P.汤姆孙 1892-1975，英国 A B C 波长为0.71 nm的X射线通过铝箔所得到的衍射环 波长为0.05 nm的电子束通过铝箔所得到的衍射环 中子通过铝箔所得到的衍射环 此后，人们相继证实了中子、质子以及原子、分子的波动性 9 二、物质波的实验验证 电子双缝实验 1961年，德国科学家琼森将一束电子加速到50 KeV，让其通过一缝宽为a=0.5×10-6m，间隔为d=2×10-6m的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。 大量电子一次性的行为 电子干涉条纹 10 一个电子和一个质子具有同样的动能时，它们的德布罗意波长哪个长？ 由   得： 动量小，德布罗意波长长。  因此当具有同样的动能时，电子比质子的德布罗意波长长。 动能相同时，电子质量小，其动量就小；  德布罗意提出物质波的观念被证实，表明实物粒子也具有波粒二象性。 二、物质波的实验验证 11 二、物质波的实验验证 思考：为什么宏观物体的波动性无法观察？ 例如，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 波长太短，无法观察到羽毛球的波动性 宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时动量很大，德布罗意波长很短。 12 三、物质波的应用 利用可见光工作的光学显微镜，由于衍射现象的限制，其分辨本领不能无限提高。 而现代科技中常常用到的电子显微镜，其分辨本领可以达到0.2nm甚至更小，能够看到蛋白质分子和金属的晶体结构。 电子显微镜的原理便是，电子束也是一种波，当把它加速时，其德布罗意波长比可见光的波长短的多，衍射现象的影响非常小，从而可以达到较高的分辨率。 电子显微镜下的生命 电子显微镜下的虫螨 13 四.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。 四.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。 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。 五、量子力学的应用 “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。 五、量子力学的应用 借助量子力学，人们深入认识了微观(填“宏观”或“微观”)世界的组成、结构和属性． 1．推动了核物理和粒子物理的发展．人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观(填“宏观”或“微观”)层次的物质结构，又促进了天文学和宇宙学的研究． 2．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，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． 3．推动了固体物理的发展 人们了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分． 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 C 随堂检测 2.(多选)关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是(　　) A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了 B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义 C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性 D.万有引力定律也适用于强相互作用力向移动 AC 随堂检测 3.(多选)根据物质波理论，以下说法中正确的是（ ） A.微观粒子有波动性，宏观物体没有波动性 B.宏观物体和微观粒子都具有波动性 C.宏观物体的波动性不易被人观察到是因为它的波长太长 D.速度相同的质子和电子相比，电子的波动性更为明显 BD 随堂检测 课堂小结 一、粒子的波动性 实物粒子既具有粒子性，也具有波动性这种波叫做物质波，二者通过h来联系。 二、物质波的实验验证 观测电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样 三、量子力学的建立 四、量子力学的应用 $$