4.5 粒子的波动性和量子力学的建立（学案）——2022-2023学年高二物理人教版（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
学习目标
1、知道实物粒子具有波动性，感悟科学家的探求精神。
2、通过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法，理解德布罗意波，会解释相关现象。
3、知道量子力学的建立过程及量子力学的应用。
重点难点
1、德布罗意波的波长和粒子动量关系。（重点）
2、量子力学的建立过程。（难点）
自主探究
一、粒子的波动性
1.德布罗意波：
(1)定义：每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系，这种波叫物质波，又叫德布罗意波。
(2)物质波波长、频率的计算公式：。
2.我们之所以看不到宏观物体的波动性，是因为宏观物体的动量太大，德布罗意波长太小的缘故。
3.德布罗意假说是光的波粒二象性的推广，即光子和实物粒子都既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。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
1.1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射的实验，从而证实了电子的波动性。
2.人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性，对于这些粒子，德布罗意给出的关系同样正确。
三、量子力学的建立
1.19、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。
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。
2.1926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，使玻尔理论的局限得以消除。由于这个理论的关键是物质波，因此被称为波动力学。
3.1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明，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。
4.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。
四、量子力学的应用
量子力学被应用到众多具体物理系统中，得到了与实验符合得很好的结果，获得了极大的成功。
1.借助量子力学，人们深入认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。
2.量子力学推动了核物理、粒子物理的发展。
3.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展。
4.量子力学推动了固体物理的发展。
探究思考
一、物质波（德布罗意波）
1、物质波的波长、频率关系式
2、说明
（1）人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。对于这些粒子，德布罗意给出的关系同样正确。
（2）宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，对应的德布罗意波的波长很短，根本无法观察到它们的波动性。
【典例一】1、下列对于德布罗意波的认识,正确的是( )
A.光波是一种物质波
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
解题思路：光波是电磁波,A错误;宏观物体由于波长太短,所以看不到它的干涉、衍射现象,但仍具有波动性,D错误;电子的衍射证实了物质波的假设是正确的,B错误,C正确。
答案：C
二、量子力学的发展与应用
1、对量子力学、狭义相对论和核物理的深入研究，为人类找到了一种新能源——核能。
2、当量子力学被应用到固体等复杂体系时，它解释了材料为何有导体、绝缘体和半导体之分，并提出了半导体二极管、三极管等概念，后来发展为集成电路，成为现代电子计算机的技术基础。
【典例二】2、在通往量子论的道路上，许多物理学家做出了卓越的贡献，下列有关说法正确的是( )
A.爱因斯坦提出光子说，并成功地解释了光电效应现象
B.德布罗意第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念
C.玻尔把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念
D.普朗克把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性
解题思路：爱因斯坦提出光子说，并成功地解释了光电效应现象，A正确；玻尔第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，B错误；普朗克把能量子引入物理学，破除了“能量连续变化”的传统观念，C错误；德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子，预言实物粒子也具有波动性，D错误
答案： A
随堂训练
1、有关光的本性,下列说法正确的是( )
A.光具有波动性,又具有粒子性,这是相互矛盾和对立的
B.光的波动性类似于机械波,光的粒子性类似于质点
C.大量光子才具有波动性,个别光子具有粒子性
D.由于光具有波动性,又具有粒子性,无法只用一种去说明光的一切行为,故光具有波粒二象性
答案：D
2、关于物质的波粒二象性,下列说法不正确的是( )
A.不仅光子具有波粒二象性,一切运动的微粒都具有波粒二象性
B.运动的微观粒子与光子一样,当它们通过一个小孔时,都没有特定的运动轨迹
C.宏观物体的运动有特定的轨迹,所以宏观物体不具有波粒二象性
D.康普顿效应说明了光具有粒子性
答案：C
3、下列对于光的波粒二象性的理解正确的是( )
A.大量光子的效果往往表现出波动性,个别光子的行为往往表现出粒子性
B.光在传播时是波,而与物质相互作用时就转变成粒子
C.高频光是粒子,低频光是波
D.波粒二象性是光的根本属性,有时它的波动性显著,有时它的粒子性显著
答案：AD
4、波粒二象性是微观世界的基本特征,以下说法正确的是( )
A.光电效应现象揭示了光的粒子性
B.热中子束射到晶体上产生的衍射图样说明中子具有波动性
C.黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
D.动能相等的质子和电子,它们的德布罗意波长也相等
答案：AB
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