4.5粒子的波动性和量子力学的建立（教学课件）-高中物理同步备课（人教版选择性必修第三册）(共49张PPT)

(共49张PPT)
第5节 粒子的波动性和量子力学的建立
第四章
人教版 选择性必修第三册
粒子的波动性
01
物质波的实验验证
02
量子力学的建立
03
量子力学的应用
04
典例分析
05
新课导入
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？
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
波动性
粒子性
延长曝光时间，理论算得的各明纹区域，光子出现的概率最大；
双缝干涉实验
l
摄影底板或显微观察
光波在空间某处的强度反映了光子在该处附近出现的概率。
光的波粒二象性的统计观点解释
入射光极弱，光子数目极少，确切位置无法预测。
继续延长曝光时间，得到明暗连续变化的双缝干涉清晰图像，并与强光入射（大量光子同时入射）一次曝光的情况等效。
单 缝 衍 射 像
圆孔衍射像
在光的衍射实验中，摄像记录弱光入射的几个不同曝光阶段的衍射图样，并进行比较，可以发现，在衍射图样中较亮的地方，光子出现的概率较大。
光的衍射实验
光的双缝干涉、单缝衍射表明——光具有波动性
粒子的波动性
PART 01
他提出假设: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：
1924年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。
这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长 称为德布罗意波长。
德布罗意波
德布罗意，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。
粒子性
波动性
普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
后来，大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒子都有波动性
实物粒子具有波粒二象性
试估算一个中学生在跑百米时的德布罗意波的波长。
解：估计一个中学生的质量 m ≈ 50 kg ，百米跑时速度 v ≈ 7 m/s ，则
由计算结果看出，宏观物体的物质波波长非常小，所以很难表现出其波动性。
光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。如果电子、质子等实物粒子真的具有波动性，那么它们也应该能像光一样发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。
德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。
做一做
（1）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多少？
（2）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
所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。
做一做
【例题】关于物质波，下列说法正确的是(　　)
A．速度相等的电子和质子，电子的波长大
B．动能相等的电子和质子，电子的波长小
C．动量相等的电子和中子，中子的波长小
D．甲电子的速度是乙电子的3倍，甲电子的波长也是乙电子的3倍
A
小试牛刀
物质波的实验验证
PART 02
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：
波的干涉
波的衍射
单缝宽 0.8mm
单缝宽 0.4mm
1、实验思路
0.1nm
1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
射线
X射线衍射图样
若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。
伦琴射线衍射实验 ：
德国物理学家劳厄
1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。
屏 P
多晶薄膜
高压
栅极
阴极
电子衍射实验
⑴实物粒子的衍射图样
汤姆孙
戴维孙
电子束穿过铝箔后的衍射
X射线衍射
2、实验验证
（2）实物粒子的干涉图样
大量电子的一次行为
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。
1961年琼森（Claus J nsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.5 10-6 m，间隔为 d = 2.0 10-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。
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
（1）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。
（2）德布罗意波是一种概率波，粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配，不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波。
（3）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。
对德布罗意波的理解
(1)光的粒子性并不否定光的波动性,光既具有波动性,又具有粒子性,波动性粒子性都是光的本身属性,只是在不同条件下的表现不同；
(2)只有从波粒二象性的角度出发,才能统一说明光的各种行为。
说明：光子说并不否认光的电磁说
①按光子说,光子的能量 , 其中 表示光的频率,即表示了波的特性；
②从光子说或电磁说推导光子动量以及光速都得到了一致的结论。
光的波动性、粒子性是统一的
【例题】(多选)以下说法正确的是(　 　)
A．任何物体都具有波动性
B．拉动细绳一端，绳上产生的波就是物质波
C．粒子的动量越大，其波动性越易观察
D．电子衍射实验证明电子有波动性
小试牛刀
AD
【例题】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
C
小试牛刀
量子力学的建立
PART 03
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。
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
玻尔氢原子理论
康普顿散射理论
普朗克常量h
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。
1925年，德国物理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
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）。
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。
量子力学:描述微观世界的理论。
小试牛刀
【例题】(多选)下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是(　 　)
A．量子力学完全否定了经典力学
B．量子力学是在早期量子论的基础上创立的
C．量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性
D．晶体管“芯片”等器件利用固体的微观结构对电路进行操控，是量子力学在固体物理中的应用
ABC
量子力学的应用
PART 04
这是人们第一次利用太阳以外的能量
最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！
1、推动了核物理和粒子物理的发展
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。
光纤通信
激光技术
核磁共振
2、推动原子、分子物理和光学的发展
3、推动了固体物理的发展
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
【例题】 (多选)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
AC
小试牛刀
典例分析
PART 05
(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性。 (　　)
(2)光子数量越大，其粒子性越明显。 ( 　　)
(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。 (　　)
(4)一切宏观物体都具有波动性，即物质波。 (　　)
(5)湖面上的水波就是物质波。 (　　)
(6)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。 (　　)
√　
×　
√　
√　
×　
√　
判一判
【例题】利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子束通过电场加速后，照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是（ ）
A.该实验说明了电子具有粒子性
B.实验中电子束的德布罗意波的波长为λ＝
C.加速电压U越大，电子的衍射现象越明显
D.若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显
B
小试牛刀
解析：
实验得到了电子的衍射图样，说明电子这种实物粒子发生了衍射，说明电子具有波动性，故A错误；
【例题】用很弱的电子束做双缝干涉实验，把入射电子束减弱到可以认为电子源和感光胶片之间不可能同时有两个电子存在，如图所示为不同数量的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)
A．电子只有粒子性没有波动性
B．少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性
C．电子只有波动性没有粒子性
D．少量电子的运动显示波动性，大量电子的运动显示粒子性
B
小试牛刀
【例题】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
小试牛刀
【例题】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
小试牛刀
【例题】电子经电势差为U＝220 V的电场加速，在v＜c的情况下，求此电子的德布罗意波长．(已知：电子质量为9.11×10－31 kg，电子电荷量为1.6×10－19C)
解：
分析:1.利用动能定理求速度，2.物质波波长公式求波长
小试牛刀
第5节 粒子的波动性和量子力学的建立
人教版 选择性必修第三册