粒子的波动性和量子力学的建立（高中物理教学课件）完整版

05.粒子的波动性和量子力学的建立图片区根据所学知识回顾，光的发展史。1672牛顿—微粒说1905爱因斯坦—光子说1922康普顿—康普顿效应1690惠更斯—波动说1801托马斯·杨—双缝干涉实验1814菲涅耳—单缝衍射1864麦克斯韦—光的电磁说1888赫兹—电磁波实验光具有波粒二象性时间轴粒子派波动派粒子性波动性注意：h起桥梁作用λ越大，波动性越强v越大，粒子性越强一.粒子的波动性1924年，法国物理学家德布罗意提出假设：实物粒子也具有波动性。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。德布罗意1892—1987二.物质波的实验验证1927年戴维孙和G.P.汤姆孙分别用单晶体和多晶体做了电子束衍射的实验，得到了电子的衍射图样，从而证实了电子的波动性。后来人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。1929年，德布罗意因提出物质波的假说获得了诺贝尔物理学奖。1937年戴维孙和G.P.汤姆孙因证实电子波动性获得了诺贝尔物理学奖。二.物质波的实验验证除了电子以外，后来还陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性。问题：宏观物体有波动性吗？答：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就很短，根本无法观察到它的波动性。问题：一个质量为0.01kg，速度为300m/s的子弹，它的德布罗意波长有多大？一个原来静止的电子，在经过100V电压加速后，德布罗意波长有多大？答：约为2.2×10-34m，无法观察到它的波动性；约为0.12nm，有可能观察到电子的波动性。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。三.量子力学的建立黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题经典物理学无法解释。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、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。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。值得注意的是，在这些成功的理论中，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。三.量子力学的建立1925年，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。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。把这个方程应用于氢原子，就很容易能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。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。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。量子力学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理论。四.量子力学的应用量子力学推动了核物理和粒子物理的发展——核能的利用量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展——激光、核磁共振、原子钟量子力学推动了固体物理的发展——大规模集成电路（芯片）、半导体发光技术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。例1.质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？解：约为2.2×10-34m；由于子弹的德布罗意波长极短，比宏观物体的尺度小得多，我们不能观察到其衍射现象；由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。例2.关于粒子的波动性，下列说法正确的是（）A．实物粒子具有波动性，仅是一种理论假设，无法通过实验验证B．实物粒子的动能越大，其对应的德布罗意波波长越大C．只有带电的实物粒子才具有波动性，不带电的粒子没有波动性D．实物粒子的动量越大，其对应的德布罗意波的波长越短例3.1985年华裔物理学家朱棣文成功利用激光冷冻原子，现代激光致冷技术可实现10-9K的低温。一个频率为v的光子被一个相向运动的原子吸收，使得原子速度减为零，已知真空中光速为c，根据上述条件可确定吸收光子前原子的（）A．速度 B．动能C．物质波的波长 D．物质波的频率DC例4.“4G改变生活，5G改变社会”，中国已正式进入5G时代．4G所使用的电磁波频率一般都低于6GHz（1G=109），而5G所用的电磁波频率一般在24GHz到100GHz之间，与4G使用的电磁波相比，5G使用的电磁波（）A．光子能量较小B．光子动量较大C．在真空中传播速度更大D．遇到障碍物更容易发生衍射现象例5.如图所示，平行玻璃砖的下表面涂有反光层，一束复合光从上表面的某点射入到玻璃砖内，经玻璃砖折射后分成两束单色光

、

从上表面射出，则（）A．a光在玻璃中的传播速度大于b光的速度B．a光光子的动量大于b光光子的动量C．两束光射出玻璃砖时可能不相互平行D．a光比b光更容易发生明显的衍射现象BB例6.下列说法正确的是（）A．偏振光不能发生干涉现象B．光能在真空中传播，说明光波不是机械波C．光波是概率波，所以能预测某光子通过双缝后打在光屏上的位置D．同种颜色的光通过同一单缝衍射装置后，屏上亮条纹宽度是确定的例7.1924年德布罗意提出实物粒子（例如电子）也具有波动性。以下不能支持这一观点的物理事实是（）A．利用晶体可以观测到电子束的衍射图样B．电子束通过双缝后可以形成干涉图样C．用紫外线照射某金属板时有电子逸出D．电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领BC例8.华裔物理学家朱棣文和他的同事在实验室用激光冷却的方式将温度降到了10-6K的数量级并捕捉到原子，其原理就是利用光子与原子发生碰撞来降低原子的速度，从而降低