4.5粒子的波动性和量子力学的建立 课件（共13张ppt）人教版（2019）选择性必修第三册

(共13张PPT)
§5 粒子的波动性和量子力学的建立
高二物理（人教版2019）
选择性必修 第三册
思考与讨论：
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
德布罗意（De·Broglie）
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。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：
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。
二、物质波的实验验证
1.电子衍射实验：
1927年戴维森和G. P. 汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似如图的衍射图样，从而证实了电子的波动性。
3.德布罗意提出物质波的观念被实验证实，表明电子、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。换句话说，它们和光一样，也具有波粒二象性。
2.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。
例1：一质量为m =1×10-2kg，速度υ = 3.0 102m/s飞行的子弹，对应的德布罗意波长为：
例2：电子m=9.1 10-31kg，由静止经100V电压加速， 对应的德布罗意波长为：
宏观物体对应的德布罗意波的波长很短，无法观测到它的波动性
可能观察到电子的波动性
三、量子力学的建立
1.经典物理学无法解释的现象：黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。
这些现象不是孤立的，而是在各类系统中普遍存在的，且都和原子、分子等微观粒子的行为紧密联系。在这些问题中经典物理学往往连实验结果的定性行为都无法解释。这表明，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。
三、量子力学的建立
ε=hν
EK=hv-w0
hv=En-Em
2.普朗克常量都扮演了关键性的角色。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。
这一系列理论在解释实验方面取得了成功，但它们中的每一个，都是针对一个特定的具体问题，都不是统一的普遍性理论。
三、量子力学的建立
①1925年，德国物理学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。它们建立的理论被称为矩阵力学。
②1926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，就能很快得到氢原子光谱的公式。同时，这个方程还可以方便地应用于其他的系统，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。
③1926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，以玻恩、海森堡、薛定谔、英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善和最终完整地建立起来。
三、量子力学的建立
3.量子力学理论的建立：量子力学是描述微观世界行为的理论。
海森堡
玻恩
薛定谔
狄拉克
泡利
三、量子力学的建立
量子力学是在普朗克、玻尔等人所建立的一个个的具体理论（它们被统称为“早期量子论”）的基础上创立的。它继承了早期量子论的成功之处并克服了其困难和局限，最终取代了早期量子论，成为统一描述微观世界物理规律的普遍性理论。
四、量子力学的应用
1.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展
中国第四代核反应堆
借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性。
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；
粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。
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。
四、量子力学的应用
2.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展
核磁共振
铯原子钟
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。在此基础上，发展了各样各式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。
激光技术使人们第一次拥有了纯净可控的光源，全球范围内的即时通信基础之一就是以激光为载体的光纤网络。
核磁共振技术是人们可以利用振荡的磁场测量材料中原子的性质，被广泛地应用于化学、生物研究和医学诊断。
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了巨大作用的卫星定位技术，其核心部件就是原子钟。
四、量子力学的应用
3.量子力学推动了固体物理的发展
集成电路
人们了解了固体中电子运行的规律，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”。这些器件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。靠它们，人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备，真正走进信息时代。才外，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。