4.5粒子的波动性和量子力学的建立（共23张ppt）

(共23张PPT)
第四章 原子结构和波粒二象性
4.5 粒子的波动性和量子力学的建立
一、新知导入
光的波粒二象性：光既具有波动性又具有粒子性。
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
，p—粒子性
ν，λ—波动性
h—粒子性、波动性的桥梁
二、粒子的波动性
光具有粒子性，实物粒子具有波动性吗？
整个世纪以来（指19世纪），在光学上，与波动方面的研究相比，忽视了粒子方面的研究；而在实物粒子的研究上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们把粒子方面的图像想得太多，而忽视了波的现象？
德布罗意
1892-1987，法国
实物粒子也应具有波动性
二、粒子的波动性
每一个运动的粒子都与对应的波相联系，这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波，也叫作物质波.
1）德布罗意波：
2）物质波的波长：
3）物质波的频率：
二、粒子的波动性
德布罗意博士论文的独创性得到了答辩委员会的高度评价，但是人们总认为他的想法过于玄妙，无法接受。于是，有人质问：有什么可以验证这一新的观念？
如果你是德布罗意，将如何验证自己的观点？
①如果实物粒子具有波动性，就应该能够发生干涉或者衍射现象
②要观察到明显衍射现象，则孔和缝的尺寸应与波长相当或者更小
三、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
三、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
三、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
三、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
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。
三、物质波的实验验证
三、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。
四、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
五、量子力学的建立
黑体辐射中的“紫外灾难”
光电效应的一些现象无法用经典波动理论解释
氢原子光谱的分立特征无法用经典理论解释
能量子ε=hν
五、量子力学的建立
一系列理论都和普朗克常量紧密相关
这些理论之间存在着紧密的内在联系
存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律
五、量子力学的建立
1925年，德国物理学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。
波动力学
海森堡
1901-1976，德国
玻恩
1882-1970，德国
薛定谔
1887-1961，奥地利
1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明
波动力学
矩阵力学
=
数学上
同一种理论的两种表达方式
五、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）。
六、量子力学的应用
推动核物理和粒子物理的发展
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
惊奇地发现，最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！！！
量子力学
促进粒子物理学的发展
六、量子力学的应用
推动核物理和粒子物理的发展
“这是人们第一次利用太阳以外的能量。”
量子力学
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。
六、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。
以激光为载体的光纤网络使我们实现了即时通信
推动原子、分子物理和光学的发展
核磁共振技术被用于医学诊断
激光技术
使我们获得了纯净可控的光源
六、量子力学的应用
原子钟利用原子为电磁波校准频率，从而实现了对时间的高精度测量。
在日常生活和国家安全中发挥巨大作用的卫星定位技术，其核心部件就是原子钟。
推动原子、分子物理和光学的发展
最早的原子钟之一
北斗卫星定位导航系统
六、量子力学的应用
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。
“芯片”
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。
集成电路
推动固体物理的发展
晶体管
结合激光光刻技术
六、量子力学的应用
推动固体物理的发展
集成电路
体积小且功能强大的电子计算机
智能手机
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。
七、课堂小结