5. 粒子的波动性和量子力学的建立（培优教学课件）物理人教版选择性必修第三册

第四章 原子结构和波粒二象性 选择性必修三•人教版 5.粒子的波动性和量子力学的建立 量子论的建立是 20 世纪物理学的最大成就之一。量子论解释了原子、分子等微观粒子遵循的规律，这些规律和牛顿力学等宏观、低速情况下的物理规律有很大不同。量子论不但深化和丰富了人类对自然界的认识，而且催生了一 大批新技术，深刻地改变了人们的生活方式 和社会形态。 导入新课 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？ 物理观念 能够运用德布罗意公式计算实物粒子的波长，认识物质波的概念及其与粒子性的统一关系。 科学思维 通过分析物质波假说的提出过程，体会类比推理和假设验证在物理学发展中的重要作用。 科学探究 能够设计简单的思想实验验证物质波的存在，理解电子衍射实验对物质波假说的验证意义。 科学态度 与责任 认识量子力学对现代科技发展的推动作用，体会科学探索需要勇于突破传统观念的创新精神。 学习目标 重点难点 重点 1.通过德布罗意公式，掌握物质波的波长与动量关系 2.通过电子衍射实验，理解实物粒子具有波动性 难点 1.通过波粒二象性对比，理解微观粒子波动性的物理本质 2.通过数量级分析，理解宏观物体波动性不可观测的原因 一、粒子的波动性 5.粒子的波动性和量子力学的建立 一、粒子的波动性 他提出假设: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。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系： 1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长  称为德布罗意波长。 德布罗意，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。 一、粒子的波动性 粒子性 波动性 普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。 后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、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。一切实物粒子都有波动性 一、粒子的波动性 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 ɛ，p—粒子性 ν，λ—波动性 h是粒子性和波动性的桥梁 二、物质波的实验验证 5.粒子的波动性和量子力学的建立 二、物质波的实验验证 光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么，它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。 二、物质波的实验验证 找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样 物质波验证方法： 波的干涉 波的衍射 单缝宽 0.8mm 单缝宽 0.4mm 二、物质波的实验验证 0.1nm 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，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。 德国物理学家劳厄 二、物质波的实验验证 1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 电子衍射实验 ⑴实物粒子的衍射图样 汤姆孙 戴维孙 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 大量电子的一次行为 在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。 1961年琼森（Claus Jönsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.510-6 m，间隔为 d = 2.010-6 m 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。 二、物质波的实验验证 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象 琼森（Claus Jönsson ） 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 （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。 二、物质波的实验验证 三、量子力学的建立 5.粒子的波动性和量子力学的建立 三、量子力学的建立 经典物理学无法解释的现象，这就表明，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。 19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。 三、量子力学的建立 一系列理论都和普朗克常量紧密相关。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。 三、量子力学的建立 1925年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。   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。 三、量子力学的建立 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（ quantum mechanics）。 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 5.粒子的波动性和量子力学的建立 四、量子力学的应用 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。 这是人们第一次利用太阳以外的能量。 四、量子力学的应用 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，如激光、核磁共振、原子钟等等。 光纤通信 激光技术 核磁共振 推动原子、分子物理和光学的发展 四、量子力学的应用 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。 四、量子力学的应用 四、量子力学的应用 五、课堂总结 5.粒子的波动性和量子力学的建立 推动了核物理和粒子物理的发展 量子力学的应用 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 物质波的实验验证 01 02 03 04 描述微观世界行为的理论被称为量子力学（ quantum mechanics）。 这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波（de Broglie wave） 量子力学的建立 六、练习与应用 5.粒子的波动性和量子力学的建立 六、练习与应用 1.下列关于德布罗意波的认识，正确的解释是 (　　) 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 六、练习与应用 【答案】C 【解析】运动的物体才具有波动性，A错误；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D错误；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B错误． 六、练习与应用 2.下列说法中正确的是(　　) A．物质波属于机械波 B．物质波与机械波没有本质区别 C．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性 D．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波 六、练习与应用 【答案】D 【解析】物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，A、B错误；宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，看不出来，C错误；德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波和它对应，这种波叫物质波，D正确． 六、练习与应用 3.　1924年德布罗意提出假设：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．下列关于德布罗意波的波长的说法正确的是(　　) A．速度相同的电子与质子，质子的德布罗意波的波长较长 B．动量相同的电子与质子，电子的德布罗意波的波长较长 C．动能相同的电子与质子，电子的德布罗意波的波长较长 D．加速度相同的电子与质子，质子的德布罗意波的波长较长 六、练习与应用 【答案】C 七、提升训练 5.粒子的波动性和量子力学的建立 七、提升训练 1．(多选)下列关于实物粒子的说法正确的是(　　) A．向前飞行的子弹不具有波动性 B．射击运动员之所以很难射中靶子，是因为子弹具有波动性 C．子弹既具有粒子性，又具有波动性 D．子弹具有波动性，但波长很短表现不出来 七、提升训练 【答案】CD 【解析】运动的实物粒子具有波粒二象性，对子弹来说，其德布罗意波长很短，很难表现出波动性，子弹的波动性对射击的准确性没有任何影响，C、D正确，A、B错误． 七、提升训练 七、提升训练 【答案】A 七、提升训练 七、提升训练 【答案】A Lavf58.29.100 $