【课件】粒子的波动性和量子力学的建立 2022-2023学年高二物理（人教版2019选择性必修第三册）.pptx

4.5 4.5 粒子的波动性和量子力学的建立粒子的波动性和量子力学的建立德布罗意德布罗意德布罗意德布罗意 (de Broglie,1892-1987)(de Broglie,1892-1987)光的波粒二象性复习光的波粒二象性复习1.1.1.1.哪些现象证明光光具有哪些现象证明光光具有哪些现象证明光光具有哪些现象证明光光具有波动性波动性波动性波动性？光的干涉实验、衍射实验、光的偏振现象。光的干涉实验、衍射实验、光的偏振现象。光的干涉实验、衍射实验、光的偏振现象。光的干涉实验、衍射实验、光的偏振现象。光具有波动性光具有波动性光是横波光是横波光是横波光是横波2.2.2.2.证明光具有证明光具有证明光具有证明光具有粒子性粒子性粒子性粒子性的实验有哪些？的实验有哪些？的实验有哪些？的实验有哪些？3.3.3.3.光的本质：光的本质：光的本质：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具有波粒二象性，光具有粒子性同时也具有波动性光具有波粒二象性，光具有粒子性同时也具有波动性光具有波粒二象性，光具有粒子性同时也具有波动性光电效应、康普顿效应光电效应、康普顿效应4.4.4.4.光的波动性和粒子性的体现光的波动性和粒子性的体现光的波动性和粒子性的体现光的波动性和粒子性的体现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。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。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。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。波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。波长长的光波动性明显；波长短的光粒子性明显。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。小结小结小结小结：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。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。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。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牛顿牛顿微粒说微粒说T/年年惠更斯波惠更斯波动说动说1690麦克斯韦电麦克斯韦电磁说磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光的性质光的性质实验事实实验事实描述的物理量描述的物理量波动性波动性粒子性粒子性波波动动性性粒粒子子性性光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应、光学发展史光学发展史密立根密立根光电效应实验光电效应实验光学发展史光学发展史光学发展史光学发展史1672牛顿牛顿牛顿牛顿微粒说微粒说微粒说微粒说T/年年惠更斯波惠更斯波惠更斯波惠更斯波动说动说动说动说1690麦克斯韦电麦克斯韦电麦克斯韦电麦克斯韦电磁说磁说磁说磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说光子说光子说波波波波动动动动性性性性粒粒粒粒子子子子性性性性1801托马斯托马斯杨杨双缝干涉实验双缝干涉实验1814菲涅耳菲涅耳衍射实验衍射实验赫兹赫兹电磁波实验电磁波实验1888赫兹赫兹发现光电效应发现光电效应19161922康普顿效应康普顿效应牛顿微粒说牛顿微粒说占主导地位占主导地位波动说波动说渐成真理渐成真理1672牛顿牛顿微粒说微粒说T/年年惠更斯惠更斯波动说波动说1690麦克斯韦麦克斯韦电磁说电磁说18641905爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说波波动动性性粒粒子子性性1909爱因斯坦爱因斯坦光的波粒二象性光的波粒二象性光既具有粒子性，又具有波动性。光既具有粒子性，又具有波动性。粒子性粒子性波动性波动性（具有能量）（具有能量）（具有频率）（具有频率）（具有动量）（具有动量）h h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁架起了粒子性与波动性之间的桥梁一一一一.光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性光的波粒二象性（具有波长）（具有波长）频率低、波长长，波动性较明显频率低、波长长，波动性较明显频率低、波长长，波动性较明显频率低、波长长，波动性较明显频率高、波长短，粒子性较明显频率高、波长短，粒子性较明显频率高、波长短，粒子性较明显频率高、波长短，粒子性较明显光具有光具有波粒二象性波粒二象性电磁波电磁波光光 子子光的波动性光的波动性光的粒子性光的粒子性 波长波长频率频率波速波速 动质量动质量能量能量动量动量 波的干涉波的干涉波的衍射波的衍射横波偏振横波偏振波动参量波动参量 波的行为特性波的行为特性 粒子参量粒子参量 粒子的行粒子的行为特性为特性 黑体辐射黑体辐射光电效应光电效应康普顿效应康普顿效应19231923年，德布罗意最早想到了这个问题，并且大胆地设想，对于年，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。光具有粒子性，又具有波动性。光子能量和动量为光子能量和动量为 上面两式左边是描写粒子性的上面两式左边是描写粒子性的 E、P；右边是描写波动性的；右边是描写波动性的、。将光的粒子性与波动性联系起来。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。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。一切实物粒子都有具有波粒二象性。二、粒子波动性的假设二、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”。三三三三.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性德布罗意德布罗意1892-19871892-1987，法国，法国 一个质量为一个质量为一个质量为一个质量为 m m 的实物粒子以速率的实物粒子以速率的实物粒子以速率的实物粒子以速率 v v 运动时运动时运动时运动时,即具有以能量即具有以能量即具有以能量即具有以能量 和动量和动量和动量和动量 p p 所描述的粒子性，同时也具有以频率所描述的粒子性，同时也具有以频率所描述的粒子性，同时也具有以频率所描述的粒子性，同时也具有以频率 v v 和波长和波长和波长和波长 所描述的波动性。所描述的波动性。所描述的波动性。所描述的波动性。与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为与粒子相联系的波称为物质波物质波物质波物质波或或或或德布罗意波德布罗意波德布罗意波德布罗意波.德布罗意关系式德布罗意关系式德布罗意关系式德布罗意关系式 德布罗意波长德布罗意波长德布罗意波长德布罗意波长（de Broglie wavelengthde Broglie wavelength）三三三三.粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性粒子的波粒二象性如：如：速度速度=5.0 102m/s飞行的飞行的子弹子弹，质量为，质量为m=10-2Kg，对应的德布罗对应的德布罗意波长为：意波长为：如：如：电子电子m=9.1 10-31Kg，速度，速度=5.0 107m/s，对应的德布罗意波长对应的德布罗意波长为：为：太小测不到！太小测不到！X射线射线波段波段宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。屏屏屏屏 P P多晶多晶多晶多晶薄膜薄膜薄膜薄膜高压高压高压高压栅极栅极栅极栅极阴极阴极阴极阴极 19271927年，年，年，年，汤姆孙汤姆孙汤姆孙汤姆孙和和和和戴维孙戴维孙戴维孙戴维孙先后先后先后先后进行了电子衍射实验。进行了电子衍射实验。进行了电子衍射实验。进行了电子衍射实验。电子束在穿电子束在穿电子束在穿电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象过细晶体粉末或薄金属片后，也象过细晶体粉末或薄金属片后，也象过细晶体粉末或薄金属片后，也象X X射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。电子衍射图样电子衍射图样电子衍射图样电子衍射图样四四四四.物质波的实验验证物质波的实验验证物质波的实验验证物质波的实验验证电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验电子衍射实验多晶铝箔多晶铝箔多晶铝箔多晶铝箔戴维森戴维森1881-1958，美国，美国G.P.汤姆孙汤姆孙1892-1975，英国，英国屏屏屏屏 P P多晶多晶多晶多晶薄膜薄膜薄膜薄膜高压高压高压高压栅极栅极栅极栅极阴极阴极阴极阴极 19271927年，年，年，年，汤姆孙汤姆孙汤姆孙汤姆孙和和和和戴维孙戴维孙戴维孙戴维孙先后先后先后先后进行了电子衍射实验。进行了电子衍射实验。进行了电子衍射实验。进行了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末电子束在穿过细晶体粉末电子束在穿过细晶体粉末电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象或薄金属片后，也象或薄金属片后，也象或薄金属片后，也象X X射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。射线一样产生衍射现象。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电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验图象琼森（Claus JnssonClaus Jnsson ）单缝衍射单缝衍射单缝衍射单缝衍射双缝衍射双缝衍射双缝衍射双缝衍射三缝衍射三缝衍射三缝衍射三缝衍射四缝衍射四缝衍射四缝衍射四缝衍射电子显微镜电子显微镜电子显微镜电子显微镜 电子在两个电极间加速，由于电子在两个电极间加速，由于电子在两个电极间加速，由于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电压越高，电子最终获得的动量越电压越高，电子最终获得的动量越电压越高，电子最终获得的动量越大，它的波长越短，分辨能力就越大，它的波长越短，分辨能力就越大，它的波长越短，分辨能力就越大，它的波长越短，分辨能力就越强。强。强。强。物质波的应用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生命电子显微镜下的虫螨电子显微镜下的虫螨物质波的应用物质波的应用电子显微镜下的灰尘物质波的应用物质波的应用电子显微镜下的血细胞物质波的应用物质波的应用例例例例1 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：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、衍射现象不明显也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显。【点评】【点评】(1)一切运动的物体都具有波动性；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；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C1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变式训练变式训练变式训练选项选项分析过程分析过程结果结果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有波动性错错B对对C宏观物体的物质宏观物体的物质质量大、动量大，质量大、动量大，波波的的波长很短，不易观察到它的波动性波长很短，不易观察到它的波动性。错错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动性更明显。对对BD2.（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变式训练变式训练变式训练变式训练光的波粒二象性光的波粒二象性光的本性光的本性光子的动量和能量光子的动量和能量粒子的波动性粒子的波动性德布罗意波（物质波）德布罗意波（物质波）物质波的波长和频率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（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（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门镜可以扩大视野是利用光的衍射现象ABC小试牛刀小试牛刀3.在在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差U、普朗克常数、普朗克常数h、电子电量、电子电量e和光速和光速c，则可知该，则可知该X射线管发出的射线管发出的X光的（）光的（）BD小试牛刀小试牛刀4.4.下列说法中正确的是（）下列说法中正确的是（）A.A.质量大的粒子，其德布罗意波长小质量大的粒子，其德布罗意波长小B.B.速度大的粒子，其德布罗意波长小速度大的粒子，其德布罗意波长小C.C.动量大的粒子，其德布罗意波长小动量大的粒子，其德布罗意波长小D.D.动能大的粒子，其德布罗意波长小动能大的粒子，其德布罗意波长小C小试牛刀小试牛刀五、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=h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。波动力学海森堡海森堡1901-1976，德德国国玻恩玻恩1882-1970，德德国国薛定谔薛定谔1887-1961，奥地利，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（quantummechanics）。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电子显微镜电子显微镜1938核磁共振核磁共振1942核反应堆核反应堆1948晶体管晶体管1949原子钟原子钟1960激光激光1962发光二极管发光二极管20世纪世纪90年代基于巨年代基于巨磁阻效应的高性能信磁阻效应的高性能信息存储技术息存储技术量子力学推动的若干重要技术的诞生年份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