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

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 02 主题二、物质波的实验验证 01 主题一、粒子的波动性 目录 CONTENTS 03 主题三、概率波 第5节 粒子的波动性和量子力学的建立 04 主题四、量子力学的建立 光的衍射干涉充分说明光是一种波 光电效应与康普顿效应又说明光是一种粒子 现代物理学认为光既是波又是粒子， 光具有波粒二象性 E=hv 原来认为是波的结果发现具有粒子性 那原来认为是粒子的会不会有波动性呢？ 新课引入：光是什么？ 他认为：“整个世纪以来（指19世纪）在光学中比起波动的研究方法来，如果说是过于忽视了粒子的研究方法的话，那末在实物的理论中，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子的图象想得太多，而过分忽略了波的图象呢”。我们之前认为的粒子如质子、电子等，会不会也是一种波呢？ 德布罗意(1892-1987)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 1923年，德布罗意试图把粒子性和波动性统一起来。1924年，在博士论文《关于量子理论的研究》中提出德布罗意波,同时提出用电子在晶体上作衍射实验的想法。 爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。 新课引入：光是什么？ 第一部分 粒子的波动性 一切实物粒子都具有波动性 ,又叫物质波 1.德布罗意波： 一、 粒子的波动性： 2.德布罗意波长: 波长λ 越长，动量P 越小——波动性强，粒子性弱 波长λ 越短，动量P 越大——波动性弱，粒子性强 第二部分 物质波的 实验验证 1.戴维逊－革末实验 1927年，Davisson和Germer 进行了电子衍射实验。电子束垂直入射到镍单晶的水平面上，实验发现，电子束强度并不随加速电压而单调变化，而是出现一系列峰值,在θ=50°散射方向上探测到一个强度极大值。 探测器 电子束 电子枪 镍单晶 二、物质波的实验验证 1927年英国的汤姆逊（George Paget Thomson，1892～1975）通过电子在多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象。它与光的圆孔衍射图象极为相似 ,人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。 2. G.P.汤姆逊的电子衍射实验 二、物质波的实验验证 戴维逊(1881-1958)美国物理学家，主要成就:电子衍射的实验发现者之一。 1937年诺贝尔物理学奖获得者 G.P.汤姆生(1892~ 1975)英国物理学家。 主要成就：晶体对电子衍射的发现者。 德布罗意(1892-1987)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 二、物质波的实验验证 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， 二、物质波的实验验证 【典例1】试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。 解：估计一个中学生的质量m≈50kg ，百米跑v≈7m/s ， 由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。 典例分析 λ= = =1.9×10-36m 【典例2】 已知电子的动量P=5.4×10-24kg.m.s-1；子弹动量p=6.63×106kg.m.s-1；h= 6.63×10-34J·S，分别求它们的的布罗意波长？ 解 电子: =1.23×10-10m 子弹: =1.0×10-40m 可见，只有微观粒子的波动性较显著；而宏观粒子(如子弹)的波动性根本测不出来。 典例分析 λ= λ= 人类对于光的认识历程 粒子说难以解释 波动说难以解释 思考：但物体怎么可能既是粒子又是波呢? 任何物体都具有波粒二象性 3000 20000 70000 于是人们让电子一个一个依次入射双缝看看它是如何干涉？ 思考：但物体怎么可能既是粒子又是波呢? 为此：1926年德国物理学家波恩指出：电子落在明处的概率大，落在暗处的概率小，从而形成像波那样明暗相间的条纹. 电子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定，所以物质波是一种概率波. 玻恩(1882--1970) 德国物理学家,1954年诺贝尔物理学奖 由光子构成的电磁波也是一种概率波。它与机械波由本质的区别。 思考：但物体怎么可能既是粒子又是波呢? 第三部分 概率波 单个粒子--位置不确定 大量粒子--确定的宏观结果(如干涉条纹) 三、概率波 1.定义: 2.特点: 与概率有关的波。电磁波、物质波都是概率波 这是个十分令人不解的问题啊？难道电子知道我们在观察它，不观察是一种情况，观察就是另一种情况？ 奇怪的事情发生了,,,,,干涉条纹消失了，只剩下两个条纹 每次只有一个电子通过双缝，电子和谁干涉呢？因此人们在双缝前加了一个观察装置，看看它究竟通过了哪个缝? 单个粒子--位置不确定 大量粒子--确定的宏观结果(如干涉条纹) 三、概率波 1.定义: 2.特点: 与概率有关的波。电磁波、物质波都是概率波 1927年，德国物理学家海森堡提出了不确定性原理：即粒子的位置和动量不能被同时精确测量。你一观察，就确定了电子的位置了，它的动量就变得不可测量，波函数就崩塌了，从而就变为一个实物粒子了。 单个粒子--位置不确定 大量粒子--确定的宏观结果(如干涉条纹) 三、概率波 1.定义: 2.特点: 与概率有关的波。电磁波、物质波都是概率波 3.不确定关系: Δx·Δp≥ 在微观物理学中，要同时测出微观粒子的位置和动量是不太可能的。 微观粒子的位置和动量是无法被同时确定的， 所以不能用轨迹来描述， 只能用概率波进行统计性描述。 由此人们建立了专门描述微观粒子运动规律的一门科学----量子力学 三、概率波 第四部分 量子力学的建立 四、量子力学的建立 黑体辐射 光电效应 散射 氢原子 物质波 量子力学 1.初期：普朗克__________理论、爱因斯坦__________理论、康普顿______理论、玻尔________理论以及德布罗意________假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。 黑体辐射 光电效应 散射 氢原子 物质波 2.发展：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，德国物理学家波恩提出概率波的概念。解释了物质波的本质。1927年，德国物理学家海森堡提出了不确定性原理：即粒子的位置和动量不能被同时精确测量。波尔、波恩、海森堡、泡利、狄拉克等被称作量子力学的根本哈根学派。它们对量子力学的解释被称作“正统解释 ”。 四、量子力学的建立 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。由于这个理论的关键是物质波,因此被称为波动力学。但是不受根本哈根学派认可。 同年，薛定谔和美国物理学家埃卡特又很快证明,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。 薛定谔对根本哈根提出的观察导致波坍塌的概念也是非常不屑和不认可，由此提出了著名的“薛定谔的猫”的梗来讽刺根本哈根学派。 “薛定谔的猫”：在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。在一小时内，大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来 。 “薛定谔的猫” 因此产生了一个谚语：好奇害死猫 按哥本哈根派说：没有测量之前，放射性物质处于衰变或者不衰变的各种可能状态，但是你一观察，那么放射性物质便会随机选择一种状态呈现在你面前， 也就是说在你没观察前，猫处于一种不生 不死的叠加态，但是你一观察，结果决定 了猫的生死。不生不死？根本哈根的恶趣 味？ 四、量子力学的建立 四、量子力学的建立 人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。 最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系。核物理的发展，还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。 3.应用: (1)量子力学推动了核物理和粒子物理的发展。 27 四、量子力学的建立 3.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。 发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控的技术。 激光技术 核磁共振 原子钟 28 (3)量子力学推动了固体物理的发展。 四、量子力学的建立 3.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。 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。科学家们利用半导体的独特性质发明 了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光 光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片”。 固体物理学的发展，还为人们带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并让人们认识了超导等一系列神奇的现象。 29 (3)量子力学推动了固体物理的发展。 四、量子力学的建立 3.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。 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。“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。 30 量子力学与经典力学的比较 比较内容 经典力学 量子力学 粒子的特征 物质是由粒子组成的，粒子是一个实体 粒子是波，波是无边无际的 研究对象 研究对象分成几部分，可以对每一部分进行研究 不能把微观体系看成是由可以分开的几部分组成的，因为两个粒子从波的角度来看，它们是纠缠在一起的 轨迹描述 可以同时用质点的位置和动量精确地描述它的运动，轨迹可以确定 不可能同时准确地知道粒子的位置和动量，不能用轨迹描述运动 运动预言 如果知道了质点的运动规律，可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量 自然界在微观层次上是由随机性和机遇支配的，不能预言粒子的位置和动量 自然界的变化 自然界的变化是连续的 自然界的变化是不连续的 课堂小结 粒子的波动性 非4 人 物质波的验证 非4 人 量子力学的建立 概率波 德布罗意(1892-1987)法国物理学家。 物质波 戴维逊(1881 -1958)美国物理学家，主要成就:电子衍射的实验发现者之一。 G.P.汤姆生(1892~1975)英国物理学家。主要成就：晶体对电子衍射的发现者。 玻恩(1882-1970)德国物理学家,1954年诺贝尔物理学奖 概念：与概率有关的波。电磁波、物质波都是概率波。 1.初期：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.发展：尼尔斯*玻尔，玻恩、海森伯、泡利、狄拉克、以及海森堡等发展了量子力学，形成了一整套解释微观粒子运动汇率的量子力学理论，极大的推动了人类的进步。 【练习1】以下关于物质波的说法正确的是 (　　) A.实物粒子具有粒子性，在任何条件下都不可能表现出波动性 B.宏观物体不存在对应的波 C.电子在任何条件下都能表现出波动性 D.微观粒子在一定条件下能表现出波动性 D 课堂练习 【练习2】在中子衍射技术中，常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近。已知中子质量m=1.67×10-27 kg，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，可以估算德布罗意波长λ=1.82×10-10 m的热中子动量的数量级为 (　　) A.10-17 kg·m/s B.10-19 kg·m/s C.10-21 kg·m/s D.10-24 kg·m/s D 课堂练习 【练习3】(多选)以下说法正确的是 (　　 ) A.1925年，德国物理学家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学 B.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 C.薛定谔以其方程为基础，建立了波动力学，彻底否定了玻尔原子理论 D.量子力学是在普朗克、玻尔等人所建立的一个个具体理论的基础上逐渐创立起来的 ABD 课堂练习 【练习4】下列描述与“量子计算机”的原理相符的是(　　) A.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 B.根据量子力学，人们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 C.利用固体的微观结构对电路进行操控，速度 和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多 D.人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构 C 课堂练习 【练习5】(2024·湖南高考)量子技术是当前物理学应用研究的热点，下列关于量子论的说法正确的是 (　　) A.普朗克认为黑体辐射的能量是连续的 B.光电效应实验中，红光照射可以让电子从某金属表面逸出，若改用紫光照射也可以让电子从该金属表面逸出 C.康普顿研究石墨对X射线散射时，发现散射后仅有波长小于原波长的射线成分 D.德布罗意认为质子具有波动性，而电子不具有波动性 B 课堂练习 【练习6】某病毒的尺寸约为100 nm，由于最短可见光波长约为400 nm，所以我们无法用可见光捕捉该病毒的照片。科学家用电子显微镜，即加速电场中的电子，使其表现为波长远小于可见光的波，终于捕捉到了该病毒的图像。已知电子的质量为9×10-31 kg，电子的电荷量为1.6×10-19 C，普朗克常量为6.6×10-34 J·s，不考虑相对论效应，则下列说法正确的是 (　　) A.电子显微镜的分辨率非常高，是由于电子的德布罗意波长非常长 B.电子显微镜的分辨率与加速电压有关，加速电压越高，则分辨率越低 C.若用相同动能的质子代替电子，不能“拍摄”到该病毒的3D图像 D.德布罗意波长为0.2 nm的电子，可由静止电子通过约37.8 V的电压加速得到 课堂练习 D 【练习7】德布罗意认为实物粒子也具有波动性，他给出了德布罗意波长的表达式λ=。现用同样的直流电压加速原来静止的一价氢离子H+和二价镁离子Mg2+，已知氢离子与镁离子的质量之比为1∶24，则加速后的氢离子和镁离子的德布罗意波长之比为(　　) A.1∶4 B.1∶4 C.4∶1 D.4∶1 课堂练习 D 谢 谢 观 看 Multimedia Cloud Transcode (cloud.baidu.com) Content Adaptive Encoding 3.0 $$