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（共42张ppt）

(共42张PPT)
§4.5 粒子的波动性和量子力学的建立
德布罗意 (de Broglie,1892-1987)
光的波粒二象性复习
1.哪些现象证明光光具有波动性？
光的干涉实验、衍射实验、光的偏振现象。
光具有波动性
光是横波
2.证明光具有粒子性的实验有哪些？
3.光的本质：
光具有波粒二象性，光具有粒子性同时也具有波动性
光电效应、康普顿效应
4.光的波动性和粒子性的体现
⑴大量光子产生的效果显示波动性；个别光子产生的效果显示粒子性。
⑵波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。
⑶光在空间传播时显示波动性；与物质微粒作用时显示粒子性。
小结：
光的二象性。互不否定，皆是光的本身属性。只是在不同条件下表现不同。只有从波粒二象性的角度，才能统一说明光的各种行为。
1672
牛顿
微粒说
T/年
惠更斯波动说
1690
麦克斯韦电磁说
1864
1905
爱因斯坦光子说
光的性质 实验事实 描述的物理量
波动性
粒子性
波动性
粒子性
光的干涉
光的衍射
光电效应
康普顿效应
ν、λ
光学发展史
密立根
光电效应实验
光学发展史
1672
牛顿
微粒说
T/年
惠更斯波动说
1690
麦克斯韦电磁说
1864
1905
爱因斯坦光子说
波动性
粒子性
1801
托马斯·杨
双缝干涉实验
1814
菲涅耳
衍射实验
赫兹
电磁波实验
1888
赫兹
发现光电效应
1916
1922
康普顿效应
牛顿微粒说占主导地位
波动说
渐成真理
1672
牛顿
微粒说
T/年
惠更斯
波动说
1690
麦克斯韦电磁说
1864
1905
爱因斯坦光子说
波动性
粒子性
1909
爱因斯坦
光的波粒二象性
光既具有粒子性，又具有波动性。
粒子性
波动性
（具有能量）
（具有频率）
（具有动量）
h
h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁
一.光的波粒二象性
（具有波长）
频率低、波长长，波动性较明显
频率高、波长短，粒子性较明显
光具有波粒二象性
电磁波
光 子
光的波动性
光的粒子性
波长
频率
波速
动质量
能量
动量
波的干涉
波的衍射
横波偏振
波动参量
波的行为特性
粒子参量
粒子的行为特性
黑体辐射
光电效应
康普顿效应
　　1923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。
光具有粒子性，又具有波动性。
光子能量和动量为
上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性的 、 。 将光的粒子性与波动性联系起来。
实物粒子：静止质量不为零的那些微观粒子。
一切实物粒子都有具有波粒二象性。
二、粒子波动性的假设
德布罗意原来学习历史，后来改学理论物理学。他善于用历史的观点，用类比方法分析问题。
1924年，他考虑到普朗克量子爱因斯坦光子理论的成功在博士论文《关于量子理论的研究》中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子，如电子，质子等。于是他提出实物粒子也具有波动性。这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波.
爱因斯坦觉察到德布罗意物质波思想的重大意义，誉之为“揭开一幅大幕的一角”。
三.粒子的波粒二象性
德布罗意
1892-1987，法国
一个质量为 m 的实物粒子以速率 v 运动时,即具有以能量ε和动量 p 所描述的粒子性，同时也具有以频率 v 和波长λ所描述的波动性。
与粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波.
德布罗意关系式
─ 德布罗意波长
（de Broglie wavelength）
三.粒子的波粒二象性
如：速度υ = 5.0 102m/s飞行的子弹，质量为m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为：
如：电子m=9.1 10-31Kg，速度υ = 5.0 107m/s， 对应的德布罗意波长为：
太小测不到！
X射线波段
宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。
屏 P
多晶薄膜
高压
栅极
阴极
1927年，汤姆孙和戴维孙先后进行了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。
电子衍射图样
四.物质波的实验验证
电子衍射实验
多晶铝箔
戴维森
1881-1958，美国
G. P.汤姆孙
1892-1975，英国
屏 P
多晶薄膜
高压
栅极
阴极
1927年，汤姆孙和戴维孙先后进行了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。
电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象
琼森（Claus J nsson ）
单缝衍射
双缝衍射
三缝衍射
四缝衍射
电子显微镜
电子在两个电极间加速，由于电压越高，电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨能力就越强。
物质波的应用
电子显微镜的成像原理是，让电子束打在荧光板上来观察显微图像。
电子显微镜下的生命
电子显微镜下的虫螨
物质波的应用
电子显微镜下的灰尘
物质波的应用
电子显微镜下的血细胞
物质波的应用
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
分析：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，宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显。
【点评】　(1)一切运动的物体都具有波动性；
(2)物质波与机械波性质不同；
(3)宏观物体质量大动量大，波长极小，难观测，但不能认为没有波动性．
C
1．根据物质波理论，以下说法中正确的是(　　)
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，电子的波动性更为明显
变式训练
选项 分析过程 结果
A 一切运动的物体都有一种物质波与它对应，所以宏观物体和微观粒子都具有波动性 错
B 对
C 宏观物体的物质质量大、动量大，波的波长很短，不易观察到它的波动性。 错
D 速度相同的质子与电子相比，电子质量小，物质波波长更长，所以电子波动性更明显。 对
BD
2.（多选）以下说法正确的是（ 　）
A. 康普顿研究黑体辐射提出量子说
B. 爱因斯坦发现光电效应并提出著名的光电效应方程
C. 何一个运动着的物体都有一种波和它对应，这就是德布罗意波
D. 光的波粒二象性应理解为：个别光子的行为易表现为粒子性，大量光子的行为易表现为波动性
BCD
变式训练
光的波粒二象性
光的本性
光子的动量和能量
粒子的波动性
德布罗意波（物质波）
物质波的波长和频率
课堂小结
1.波粒二象性是微观世界的基本特征，以下说法正确的有（ ）
A．黑体辐射的实验规律可用光的波动性解释
B．光电效应现象揭示了光具有粒子性
C．康普顿效应揭示了光具有波动性
D．动能相等的质子和电子，它们的德布罗意波长也相等
B
小试牛刀
2.下列关于实物粒子、光的波粒二象性说法正确的是（　 ）
A．对于同种金属产生光电效应时，照射光的频率越大，逸出光电子的初动能也越大
B．德布罗意首先提出了物质波的猜想，而电子衍射实验证实了他的猜想
C．人们常利用热中子研究晶体的结构，因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距大致相同
D．门镜可以扩大视野是利用光的衍射现象
ABC
小试牛刀
3.在X射线管中，由阴极发射的电子被加速后打到阳极，会产生包括X光在内的各种能量的光子，其中光子能量的最大值等于电子的动能。已知阳极与阴极之间的电势差U、普朗克常数h、电子电量e和光速c，则可知该X射线管发出的X光的（　　）
BD
小试牛刀
4.下列说法中正确的是（　　）
A. 质量大的粒子，其德布罗意波长小
B. 速度大的粒子，其德布罗意波长小
C. 动量大的粒子，其德布罗意波长小
D. 动能大的粒子，其德布罗意波长小
C
小试牛刀
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
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）。
五、量子力学的建立
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
中国第四代核反应堆
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
1931
电子显微镜
1938
核磁共振
1942
核反应堆
1948
晶体管
1949
原子钟
1960激光
1962
发光二极管
20世纪90年代基于巨磁阻效应的高性能信息存储技术
量子力学推动的若干重要技术的诞生年份
课堂小结
量子力学的创立和索尔维会议
玻尔
海森伯
德布罗意
爱因斯坦
洛仑兹
居里夫人
普朗克
康普顿
泡利
薛定谔
维夏菲尔特
福勒
布里渊
波恩
威尔逊
理查德森
古耶
朗之万
狄拉克
顿德尔
赫尔岑
克莱默斯
布拉格
朗梅尔
德拜
库德森
皮卡德
亨利奥特
艾伦费斯特