高中物理 選擇性必修三 粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立 課件

1、深圳大學(xué)附屬中學(xué)THE AFFILIATED HIGH SCHOOL OF SHEN ZHEN UNIVERSITY第四章 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4.5 粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立吳小菊一、新知導(dǎo)入光的波粒二象性：光既具有波動(dòng)性又具有粒子性。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，動(dòng)量P越小波動(dòng)性強(qiáng)，粒子性弱波長(zhǎng)越短，動(dòng)量P越大波動(dòng)性弱，粒子性強(qiáng)，p粒子性，波動(dòng)性h粒子性、波動(dòng)性的橋梁二、粒子的波動(dòng)性光具有粒子性，實(shí)物粒子具有波動(dòng)性嗎？整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)），在光學(xué)上，與波動(dòng)方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究；而在實(shí)物粒子的研究上，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子方面的圖像想得太多，而忽視了波的現(xiàn)象？德布羅意

2、1892-1987，法國(guó)實(shí)物粒子也應(yīng)具有波動(dòng)性二、粒子的波動(dòng)性每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系，這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波后來(lái)被稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波.1）德布羅意波：2）物質(zhì)波的波長(zhǎng)：3）物質(zhì)波的頻率：二、粒子的波動(dòng)性德布羅意博士論文的獨(dú)創(chuàng)性得到了答辯委員會(huì)的高度評(píng)價(jià)，但是人們總認(rèn)為他的想法過(guò)于玄妙，無(wú)法接受。于是，有人質(zhì)問(wèn)：有什么可以驗(yàn)證這一新的觀念？如果你是德布羅意，將如何驗(yàn)證自己的觀點(diǎn)？如果實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，就應(yīng)該能夠發(fā)生干涉或者衍射現(xiàn)象要觀察到明顯衍射現(xiàn)象，則孔和縫的尺寸應(yīng)與波長(zhǎng)相當(dāng)或者更小三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電子的德布羅意波長(zhǎng)：加速電勢(shì)差為U，則可獲得電子在不同電壓下的波長(zhǎng)

3、與X射線的波長(zhǎng)(1pm-10nm)相當(dāng)三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射0.1 nm若電子具有波動(dòng)性的理論成立，那么電子打在晶體上應(yīng)也能觀察到衍射現(xiàn)象。X射線衍射圖樣三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實(shí)驗(yàn)1927年，戴維森和G. P.湯姆孫分別獨(dú)立完成了電子衍射實(shí)驗(yàn)戴維森1881-1958，美國(guó)G. P.湯姆孫1892-1975，英國(guó)ABC波長(zhǎng)為0.71 nm的X射線通過(guò)鋁箔所得到的衍射環(huán)波長(zhǎng)為0.05 nm的電子束通過(guò)鋁箔所得到的衍射環(huán)中子通過(guò)鋁箔所得到的衍射環(huán)此后，人們相繼證實(shí)了中子、質(zhì)子以及原子、分子的波動(dòng)性三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電子雙縫實(shí)驗(yàn)1961年，德

4、國(guó)科學(xué)家瓊森將一束電子加速到50 KeV，讓其通過(guò)一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=210-6m的雙縫，當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r，發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大量電子一次性的行為電子干涉條紋一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子具有同樣的動(dòng)能時(shí)，它們的德布羅意波長(zhǎng)哪個(gè)長(zhǎng)？由 得：動(dòng)量小，德布羅意波長(zhǎng)長(zhǎng)。因此當(dāng)具有同樣的動(dòng)能時(shí)，電子比質(zhì)子的德布羅意波長(zhǎng)長(zhǎng)。動(dòng)能相同時(shí)，電子質(zhì)量小，其動(dòng)量就??；德布羅意提出物質(zhì)波的觀念被證實(shí)，表明實(shí)物粒子也具有波粒二象性。三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證思考：為什么宏觀物體的波動(dòng)性無(wú)法觀察？例如，羽毛球離拍時(shí)的最大速度可達(dá)到288 km/h,羽毛球的質(zhì)量為5.0 g波長(zhǎng)太短，

5、無(wú)法觀察到羽毛球的波動(dòng)性宏觀物體的質(zhì)量比微觀粒子大得多，它們運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)量很大，德布羅意波長(zhǎng)很短。四、物質(zhì)波的應(yīng)用利用可見(jiàn)光工作的光學(xué)顯微鏡，由于衍射現(xiàn)象的限制，其分辨本領(lǐng)不能無(wú)限提高。而現(xiàn)代科技中常常用到的電子顯微鏡，其分辨本領(lǐng)可以達(dá)到0.2nm甚至更小，能夠看到蛋白質(zhì)分子和金屬的晶體結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡的原理便是，電子束也是一種波，當(dāng)把它加速時(shí)，其德布羅意波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)短的多，衍射現(xiàn)象的影響非常小，從而可以達(dá)到較高的分辨率。電子顯微鏡下的生命電子顯微鏡下的蟲(chóng)螨五、量子力學(xué)的建立黑體輻射中的“紫外災(zāi)難”光電效應(yīng)的一些現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典波動(dòng)理論解釋氫原子光譜的分立特征無(wú)法用經(jīng)典理論解釋能量子=h五、量

6、子力學(xué)的建立一系列理論都和普朗克常量緊密相關(guān)這些理論之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系存在著統(tǒng)一描述微觀世界行為的普遍性規(guī)律五、量子力學(xué)的建立1925年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡和玻恩等人建立了矩陣力學(xué)。1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了物質(zhì)波滿足的方程薛定諤方程。波動(dòng)力學(xué)海森堡1901-1976，德國(guó)玻恩1882-1970，德國(guó)薛定諤1887-1961，奧地利1926年，薛定諤和美國(guó)物理學(xué)家?？ㄌ睾芸煊肿C明波動(dòng)力學(xué)矩陣力學(xué)=數(shù)學(xué)上同一種理論的兩種表達(dá)方式五、量子力學(xué)的建立隨后數(shù)年，在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國(guó)的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學(xué)家的共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最

7、終完整地建立起來(lái)，它被稱為量子力學(xué)（ quantum mechanics）。六、量子力學(xué)的應(yīng)用推動(dòng)核物理和粒子物理的發(fā)展使我們認(rèn)識(shí)了微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)促進(jìn)天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究驚奇地發(fā)現(xiàn)，最微觀層次和最宏觀層次的規(guī)律，竟有著緊密的聯(lián)系！量子力學(xué)促進(jìn)粒子物理學(xué)的發(fā)展六、量子力學(xué)的應(yīng)用推動(dòng)核物理和粒子物理的發(fā)展“這是人們第一次利用太陽(yáng)以外的能量。”量子力學(xué)推動(dòng)核物理發(fā)展讓人們成功地認(rèn)識(shí)并利用了原子核反應(yīng)堆所釋放的能量核能。六、量子力學(xué)的應(yīng)用發(fā)展了各式各樣的對(duì)原子和電磁場(chǎng)進(jìn)行精確操控和測(cè)量的技術(shù)，如激光、核磁共振、原子鐘等等。以激光為載體的光纖網(wǎng)絡(luò)使我們實(shí)現(xiàn)了即時(shí)通信推動(dòng)原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展核磁共振技術(shù)被用于醫(yī)學(xué)診斷激光技術(shù)使我們獲得了純凈可控的光源六、量子力學(xué)的應(yīng)用原子鐘利用原子為電磁波校準(zhǔn)頻率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的高精度測(cè)量。在日常生活和國(guó)家安全中發(fā)揮巨大作用的衛(wèi)星定位技術(shù)，其核心部件就是原子鐘。推動(dòng)原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展最早的原子鐘之一北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)六、量子力學(xué)的應(yīng)用了解了固體中電子運(yùn)行的規(guī)律，并弄清了為什么固體有導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之分?！靶酒睂?duì)電路進(jìn)行操控，速度和可靠性都遠(yuǎn)勝過(guò)去的電子管，而體積則小得多。集成電路推動(dòng)固體物理的發(fā)展晶體管結(jié)合激光光刻技術(shù)六、量子力學(xué)的應(yīng)用推動(dòng)固體物理的發(fā)展集成