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 光的波粒二象性的统计观点解释——双缝干涉实验 l 摄影底板或显微观察 若入射光极弱：光子数目极少，光子在屏上出现的确切位置无法预测。 延长曝光时间：在光波干涉理论的各明纹区域，光子的出现概率最大；各暗纹区域，光子的出现概率最小。 若继续延长曝光时间：出现明暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。 光的波粒二象性的统计观点解释——衍射实验 单 缝 衍 射 圆孔衍射 光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，比较发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。 光子的行为不能用经典粒子的运动状态参量描述和准确预测。 光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。 一、粒子的波动性 后续大量实验都证明，质子、中子、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。一切实物粒子都具有波动性（波粒二象性）。 德布罗意假设： 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。 这种波叫做物质波或概率波，也叫德布罗意波，其波长  称为德布罗意波长。 波动性 粒子性 普朗克常量h建立了粒子性与波动性之间的桥梁 一、粒子的波动性 实物粒子的波粒二象性： 微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。 估算：一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长 假设一个中学生的质量 m ≈ 50 kg ，百米跑时速度 v ≈ 7 m/s： 宏观物体的物质波波长非常小，很难表现出其波动性，通常只考虑其粒子性。 一、粒子的波动性 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的缘故。 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。 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既有粒子性，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。 二、物质波的实验验证——实验思路 波的行为特性 波的干涉 波的衍射 找到电子、质子等实物粒子的干涉图样和衍射图样 物质波的验证方法： 二、物质波的实验验证——伦琴射线衍射实验 0.1nm 在伦琴射线（X射线）发现后的十多年间，这种射线到底是不是波长很的电磁波，尚无定论。1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。 射线 X射线衍射图样 若电子具有波动性的理论成立，电子打在晶体上也应能观察到衍射现象。 食盐的晶体结构 二、物质波的实验验证——电子衍射实验 1927年，C.J.戴维森与雷斯特·革末进行电子衍射实验，验证电子具有波动性。 通过电子束垂直投射到镍单晶，电子束被散射。其强度分布可通过德布罗意关系和衍射理论解释，验证了物质波的存在。 电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也像X 射线一样产生衍射现象。 二、物质波的实验验证——电子衍射实验 1927年，G.P.汤姆逊（J.J.汤姆逊之子）也独立完成了电子衍射实验，与C.J.戴维森共获 1937年诺贝尔物理学奖。 此后，人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子束穿过铝箔后的衍射 X射线衍射 二、物质波的实验验证——电子衍射实验 单缝衍射 双缝衍射 三缝衍射 四缝衍射 二、物质波的实验验证——电子干涉实验 1961年，琼森（Claus Jönsson）将一束电子加速到50keV，让其通过一缝宽a=0.5×10-6m，间隔d=2.0×10-6m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。 大量电子的一次行为 三、量子力学 三、量子力学 普朗克黑体辐射理论：ε=hν 爱因斯坦光电效应理论：EK=hv-w0 康普顿散射理论： 玻尔氢原子理论：hv=En-Em 德布罗意物质波假说： 普朗克常量：h 在上述规律背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。 4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 Lavf58.29.100 $$