《粒子的波动性和量子力学的建立》课件

第四章原子结构和波粒二象性4.5粒子的波动性和量子力学的建立目录CONTENTS1

学习目标2

新课导入3

新课讲解4

课堂小结5

典例分析当堂小练61．知道实物粒子具有波动性，领会对称性的研究方法，感悟科学家的探求精神。2．过对物质波的实验验证内容的学习，感受实验研究这一重要的研究方法。3．通过对科学漫步的阅读，感受科学的成就推动了技术的进步。学习目标

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？新课导入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一、粒子的波动性他提出假设：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。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。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。这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。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。实物粒子具有波粒二象性。新课讲解二、物质波的实验验证1、实验思路找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样物质波验证方法：波的干涉波的衍射波的行为特性单缝宽0.8mm单缝宽0.4mm其德布罗意波的波长为：则质量运动速率静止质量若已知m0，v。若对于一个自由的实物粒子运动动能静止质量若已知m0，Ek则动量大小其德布罗意波的波长为：若则2、某电子的动能Ek=100eV，求它的德布罗意波长。已知电子的静止质量m0e=9.11×10-31kg,1eV=1.6×10-19J。与X射线的波长相近，其波动性不可忽略。解析：波长短到无法检测，其波动性可以忽略。1、某子弹的质量m0=0.01kg，v=400m/s，求它的德布罗意波长。普朗克常量h=6.63×10-34J·s。解析：X射线照在晶体上可以产生衍射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。X射线衍射图样X射线的频率范围30PHz~300EHz，对应波长为1pm~10nm，能量为124eV~1.24MeV。0.1nm2、实验验证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（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。三、量子力学的建立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

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（quantummechanics）。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。四、量子力学的应用1、推动了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最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！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2、推动原子、分子物理和光学的发展激光技术核磁共振3、推动了固体物理的发展晶体管集成电路量子力学的创立和索尔维会议1、粒子的波动性

实物粒子既具有粒子性，也具有波动性这种波叫做物质波，二者通过h来联系。2、物质波的实验验证观测电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样3、量子力学的建立4、量子力学的应用课堂小结【例题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C典例分析解析：运动的物体才具有波动性，A项错；宏观物体由于动量太大，德布罗意波长太小，所以看不到它的干涉、衍射现象，但仍具有波动性，D项错；X光是波长极短的电磁波，是光子，它的衍射不能证实物质波的存在，B项错；只有C项正确。【例题2】

(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解析：经典力学只适用于低速宏观的物体,故A正确;相对论和量子力学的出现,并没有否定经典力学,只是说经典力学有一定的适用范围,故B错误;量子力学描述了微观粒子运动的规律性,故C正确;万有引力定律对于强相互作用力是不适用的,故D错误。【例题3】利用金属晶格(大小约10－10m)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；学以致用·随堂检测全达标1．在历史上，最早证明了德布罗意波存在的实验是(

)A．弱光衍射实验B．电子束在晶体上的衍射实验C．弱光干涉实验D．X射线的衍射实验答案：B解析：A错：弱光衍射实验证明了光的波动性．B对：电子束在晶体上的衍射实验最早证明了德布罗意波的存在.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，从而证实了德布罗意波的存在．C错：弱光干涉实验证明了光的波动性．D错：X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射实验不能证明德布罗意波的存在．2．关于德布罗意波，下列说法正确的是(

)A．所有物体不论其是否运动，都有对应的德布罗意波B．任何一个运动着的物体都有一个波和它对应，这就是德布罗意波C．运动着的电场、磁场没有相对应的德布罗意波D.只有运动着的微观粒子才有德布罗意波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的德布罗意波答案：B解析：任何一个运动着的物体，都有一个波与它对应，这就是德布罗意波，也叫作物质波，物质有两类——实物和场，B正确．3．(多选)为了观察晶体的原子排列，可以采用下列方法：(1)用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜成像(由于电子的物质波波长很短，能防止发生明显的衍射现象，因此电子显微镜的分辨率高)；(2)利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样，进而分析出晶体的原子排列．下列分析中正确的是(

)A．电子显微镜所利用的是电子的物质波波长比原子尺寸小得多B．电子显微镜中电子束运动的速度应很小C．要获得晶体的X射线衍射图样，X射线波长要远小于原子的尺寸D．中子的物质波波长可以与原子尺寸相当答案：AD解析：由题目所给信息“电子的物质波波长很短，能防止发生明显的衍射现象”及发生衍射现象的条件可知，电子的物质波波长比原子尺寸小得多，A分析正确；电子的物质波波长很短，则它的动量很大，速度也很大，B分析错误；由信息“利用X射线或中子束得到晶体的衍射图样”及发生衍射现象的条件可知