4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 课件（26张PPT）

(共26张PPT)
4.5 粒子的波动性和量子力学的建立
新知导入
1672
牛顿
微粒说
惠更斯
波动说
1690
麦克斯韦
电磁说
1864
1905
爱因斯坦
光子说
（光电效应）
波动派
1801
托马斯·杨
双缝干涉
实验
1814
菲涅耳
单缝衍射实验
赫兹
电磁波实验
1888
1922
康
普
顿效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说
渐成真理
光具有
波粒二
象性
粒子派
新知导入
普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁
粒子性
波动性
波长λ越大，动量P越小——波动性强，粒子性弱
波长λ越小，动量P越大——波动性弱，粒子性强
光的波粒二象性：光既具有波动性又具有粒子性。
问题导入
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
一、粒子的波动性
如同光波具有粒子性一样，实物粒也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应波相联系。这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。
德布罗意
实物粒子既具有粒子性，也具有波动性，二者通过h来联系。
二、物质波的实验验证
1.实验思路
光
干涉和衍射现象
波动性
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：
实验
结论
干涉
衍射
2.实验材料
比如电子的质量m=9.1×10-31kg，用200V的加速电压给他加速能量就是200eV。此时它的波长是多少呢？
与X射线的波形长相当
因此，如果电子具有波动性，就可以用观察X射线通过晶体是会发生衍射的装置观察到电子的衍射。
食盐晶体结构
0.1nm
3.实验验证——衍射图样
汤姆孙
戴维孙
1927年戴维孙和汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了的衍射图样，从而证实了电子的波动性。
大量电子的一次行为
3.实验验证——干涉图样
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。
问题：为什么我们看不到实物粒子的波动性呢？
如质量为0.01kg的子弹，速度是300m/s，那么计算出的波长是？
比原子核的半径还要小19个数量级。这根本测不出衍射，所以宏观物体几乎看不到波动性只表现粒子性。
原子核：r—10-15m
射击运动员射击时会因为子弹的波动性而“失准”吗？
它可以用来提高显微镜的精度，知道光如果碰到和波长差不多都物体就会发生衍射现象，这会导致被观察物体的光点成像后，变成光斑看不清楚，所以显微镜的分辨本领受到所用光波的波长限制，波长越短，精度越高。
4.粒子波动性的作用
可见光波长：400~700nm
电子束：0.2nm
制成电子显微镜
三、量子力学的建立
黑体辐射
光电效应
氢原子光谱
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。
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。
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。
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。
量子力学:描述微观世界的理论。
1926年，奥地利物理学家提出物质波满足的方程——薛定谔方程。
四、量子力学的应用
薛定谔的猫是什么？
薛定谔的猫是物理学的四大神兽之一，并非是指某种动物，而是一种思维实验。接下来讲一下这个实验的背景故事。
二十世纪物理学的两大支柱相对论和量子力学，大家对相对论比较了解，或者是即使不懂什么意思但是会经常听说。而对于量子力学就知之甚少了，但是大家一定都听说个薛定谔的猫这只神兽，并把它当作是量子力学的代名词。但实际上却并非如此，薛定谔的猫只是在讽刺量子力学中的量子不确定性。
但是我们在没有打开盒子前并不知道猫的状态，因此猫只能是既死又活的叠加态。薛定谔用这种宏观动物的既死又活叠加态，来讽刺微观量子的既A又B叠加态。爱因斯坦在三十六岁提出广义相对论后，有一段时间一直在和量子力学的哥本哈根派吵架。尤其是以波尔为代表的一众哥本哈根派科学家。因为他们对量子力学的诠释触碰了爱因斯坦的禁区，那就是定域性。
1935年奥地利物理学家薛定谔提出了薛定谔的猫的思维实验，实验过程如下：一个封闭的盒子中装着一只猫，从外面看不到盒子内部的情况。盒子中设置一个实验装置，放有少量的放射性物质，这种物质衰变释放出毒素的概率是百分之五十。这意味着在一段时间内这只猫有百分之五十的几率被毒死，百分之五十的机会安全存活。
但是最终的结果我们都知道爱因斯坦当时反对的量子不确定性、量子纠缠等目前都被确认是正确存在的。当时提出的薛定谔的猫思维实验原本是用来讽刺量子力学，现在反而是量子力学的代名词。
四、量子力学的应用
1.推动了核物理和粒子物理的发展
核能释放
天文宇宙的研究
2.推动了原子、分子物理和光学的发展
激光技术
光纤通信
3.推动了固体物理的发展
集成电路
智能手机
课堂练习
例1：下列说法正确的是（ ）
A.物质波属于机械波
B.只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C.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、太阳都具有一种波和它对应，这种波叫做物质波
D.宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
C
课堂练习
例2：如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的（ ）也相等。
A.速度
B..动能
C.动量
D.总动能
C
p=mv
E= mc
课堂练习
例3：根据物质波理论，下列说法正确的是（ ）
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，电子的波动性更为节明显
BD
课堂练习
例4：我们根据什么说光具有波粒二象性
解析：光的干涉和衍射说明光具有波动性，光电效应和康普顿效应说明光具有粒子性。
例5：关于粒子的波动性，下列说法正确的是（　　）
A．实物粒子具有波动性，仅是一种理论假设，无法通过实验验证
B．实物粒子的动能越大，其对应的德布罗意波波长越大
C．只有带电的实物粒子才具有波动性，不带电的粒子没有波动性
D．实物粒子的动量越大，其对应的德布罗意波的波长越短
课堂训练
BD．根据德布罗意的波长公式
又动量与动能的大小关系有
联立两式可得
所以，实物粒子的动量越大，其对应的德布罗意波的波长越短；实物粒子的动能越大，其对应的德布罗意波波长越短，故B错误，D正确；
C．粒子具不具有波动性与带不带电无关，故C错误。
D
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