4.5 粒子的波动性和量子力学的建立 课件 2023-2024学年高二物理人教版（2019）选择性必修3(共17张PPT)

(共17张PPT)
第5节 粒子的波动性和量子力学的建立
第四章 原子结构和波粒二象性
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？
1.知道实物粒子的波动性假设和实验验证。
2.知道实物粒子和光意义也具有波粒二象性。
3.体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响。
知识点一：粒子的波动性
德布罗意(De · Broglie)，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。
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ν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。
任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。
德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。
练一练
1.根据测算,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,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗
解：
羽毛球的速度v=288 km/h=80 m/s,
其德布罗意波长λ==(6.63×10-34)/(5.0×10-3×80)m=1.66×10-33 m
波长太短,无法观察到羽毛球的波动性。
知识点二：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
1.实验思路：
如果实物粒子具有波动性，则在一定条件下，也应该发生干涉或衍射现象。
1927年， 戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，获得了衍射图样，证实了电子的波动性。他们因此获得了1937年的诺贝尔物理学奖。
2.实验验证：
戴维孙
1881-1958，美国
G.P.汤姆孙
1892-1975，英国
1929年， 德布罗意获得了诺贝尔物理学奖，成为以学位论文获得此殊荣的人。
②宏观物体动量很大，德布罗意波的波长很短，根本无法观察到波动性。
3.说明
4.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。
①中子、质子、原子、分子具有波动性，p=和ε=hv 的关系同样正确。
1.下列关于德布罗意波的认识正确的是(　　)
A.任何一个物体都有一种波和它对应,这就是物质波
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
练一练
C
知识点三：量子力学的建立
情境探究
如图甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体。请思考：
(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律 如何研究质子束的运动规律
(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律 如何研究中子星表面的物理规律
普朗克黑体辐射理论
爱因斯坦光电效应理论
德布罗意物质波假说
康普顿散射理论
玻尔氢原子理论
普朗克常量h
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。
1.关于经典力学、相对论与量子论的说法正确的是(　　)
A.当物体的速度接近光速时,经典力学就不适用了
B.相对论和量子力学的出现,使经典力学失去了意义
C.量子力学能够描述微观粒子运动的规律性
D.万有引力定律也适用于强相互作用力
练一练
AC
知识点四：量子力学的应用
量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命。它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础。
推动了核物理和粒子物理的发展。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。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。
推动了原子、分子物理和光学的发展。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。
推动了固体物理的发展。人们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。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”。
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。
1931年
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1931年
1931年
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1931年
电子显微镜
核磁共振
核反应堆
晶体管
原子钟
激光
发光二极管
信息存储技术
粒子的波动性和量子力学
粒子的波动性
物质波的实验验证
量子力学的建立和应用
物质波
波粒二象性
观测电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样