【高中物理】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

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1、4.5 粒子的波动性和量子力学的建立学习目标：1、了解粒子的波动性2、理解物质波的概念，知道物质波的实验验证3、了解量子力学的建立和量子力学的应用思考与讨论：新课引入 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？他提出假设他提出假设:实物粒子也具有波动性，即实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒每一个运动的粒子子都都与一个对应的波相联系与一个对应的波相联系。粒子的能量。粒子的能量和动量和动量p跟它所跟它所对应的波的频率对应的波的频率v和波长和波长之间，遵从如下关系

2、：之间，遵从如下关系：1924年，德布罗意年，德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子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，把理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广波粒二象性推广到实物粒子到实物粒子，如电子、质子等。，如电子、质子等。这种与实物粒子相联系的波叫做这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波德布罗意波，也叫，也叫物质波物质波。其其波长波长 称为德布罗意波长称为德布罗意波长。德德布布罗罗意意，法法国国物物理理学学家家，1929年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖获获得得者者，波波动动力力学学的的创创始始人人，量量子子 力力 学学 的的 奠奠 基基 人人 之

3、之 一一。一、粒子的波动性粒子性粒子性波动性波动性普朗克常量普朗克常量h架起了粒子性与波动性之架起了粒子性与波动性之间的桥梁。间的桥梁。后来，大量实验都证实了：质子、中子后来，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性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒一切实物粒一切实物粒一切实物粒子都有子都有子都有子都有波动性波动性波动性波动性实物粒子具有波粒二象性实物粒子具有波粒二象性一、粒子的波动性例1：一质量为m=110-2kg，速度=3.0 102m/s飞行的子弹，对应的德布罗意波长为：例2：电子m=9.1 10-31

4、kg，由静止经100V电压加速，对应的德布罗意波长为：太小，无法观测到波动性可能观察到电子的波动性新课讲授 宏观物体的波长比微观粒子的波长小得多，这在生活中很难找到能发生衍射的障碍物，所以我们并不认为它有波动性作为微观粒子的电子，其德布罗意波波长为1010m数量级，找与之相匹配的障碍物也非易事二.物质波的实验验证实验验证的思路：光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。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。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。二、物质波的实验验证1.

5、电子衍射实验：1927年戴维孙和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，得到了类似图4.5-1的衍射图样，从而证实了电子的波动性。3.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。2.电子德布罗意波的干涉现象。新课讲授类似的实验：类似的实验：19271927年，年，汤姆逊电子衍射实验汤姆逊电子衍射实验 19601960年，年，电子双缝干涉实验电子双缝干涉实验 后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也具有波动性。后来的实验证明原子、分子、中子等微观粒子也具有波动性。德布罗意公式成为

6、揭示微观粒子波粒二象性的统一性的基本公德布罗意公式成为揭示微观粒子波粒二象性的统一性的基本公式式.3 3、一切实物粒子都有波动性、一切实物粒子都有波动性 大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，

7、该波的波长波的波长 X射线衍射电子衍射19271927年，年，G.P.G.P.汤姆孙令一电子束通过薄铝箔，结果发现，汤姆孙令一电子束通过薄铝箔，结果发现，同同X X射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。射线一样，也能得到清晰的电子衍射图样。三、量子力学的建立1.经典物理学无法解释的现象：黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。新课讲授三、量子力学的建立新课讲授=hEK=hv-w0hv=En-Em2.普朗克常量都扮演了关键性的角色。三、量子力学的建立3.量子力学理论的建立新课讲授海森堡玻恩薛定谔狄拉克泡利1925年，德国物理家海森堡和玻恩年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。等人建立了矩阵力学

8、。1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程物质波满足的方程薛定谔方程。薛定谔方程。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:描述微观世界的理论。四、量子力学的应用1.量子力学推动了核物理和粒子物理的发展中国第四代核反应堆新课讲授四、量子力学的应用2.量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展核磁共振铯原子钟新课讲授四、量子力学的应用3.量子力学推动了固体物理的发展集成电路新课讲授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AB课堂练习D课堂练习C课堂练习课堂练习C课堂练习