粒子的波動性和量子力學(xué)的建立+高二下學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第三冊

第5節(jié)

粒子的波動性和量子力學(xué)的建立第四章人教版（2019）選擇性必修三CONTENTS目錄粒子的波動性01物質(zhì)波的實驗驗證02量子力學(xué)的建立03學(xué)以致用提高練習(xí)05量子力學(xué)的應(yīng)用04思考與討論：通過對雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問題的研究，人們終于認識到光既有粒子性，又有波動性。我們已經(jīng)認識到如電子、質(zhì)子等實物粒子是具有粒子性的，那么，實物粒子是否也會同時具有波動性呢？單縫衍射像圓孔衍射像新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)隨堂練習(xí)布置作業(yè)一、粒子的波動性德布羅意(De·Broglie)，法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，波動力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質(zhì)波的概念。德布羅意提出假設(shè)：實物粒子也具有波動性，即每一個運動的粒子都與一個對應(yīng)的波相聯(lián)系。粒子的能量ε和動量p跟它所對應(yīng)的波的頻率ν和波長λ之間，遵從如下關(guān)系：這種與實物粒子相聯(lián)系的波后來被稱為德布羅意波（deBrogliewave），也叫作物質(zhì)波（matterwave）新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)粒子性波動性普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。

后來，大量實驗都證實了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實物微觀粒子都具有波動性，并都滿足德布羅意關(guān)系。一切實物粒子都有波動性新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：粒子的波動性（1）新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：粒子的波動性（2）新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)二、物質(zhì)波的實驗驗證1.實驗思路：如果實物粒子具有波動性，則在一定條件下，也應(yīng)該發(fā)生干涉或衍射現(xiàn)象。0.1nm射線X射線衍射圖樣德國物理學(xué)家勞厄1912年，德國物理學(xué)家勞厄提議，利用晶體中排列規(guī)則的物質(zhì)微粒作為衍射光柵，來檢驗倫琴射線的波動性。證實倫琴射線就是電磁波。若電子具有波動性的理論成立，那么電子打在晶體上應(yīng)也能觀察到衍射現(xiàn)象。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.實驗驗證1927年C.J.戴維森和G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫之子）利用電子束穿過晶體做了電子束的衍射實驗。因此，共同獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實驗⑴實物粒子的衍射圖樣湯姆孫戴維孫電子束穿過鋁箔后的衍射X射線衍射新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)（2）實物粒子的干涉圖樣大量電子的一次行為在后來的實驗中，人們還進一步觀測到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。

1961年瓊森（ClausJ?nsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為

d=2.010-6m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驗結(jié)果。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)3.對德布羅意波的理解①德布羅意提出物質(zhì)波的觀念被實驗證實，表明電子、質(zhì)子、原子等粒子不但具有粒子的性質(zhì)，而且具有波動的性質(zhì)。換句話說，它們和光一樣，也具有波粒二象性。②德布羅意波是一種概率波，粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受波動規(guī)律支配，不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波。③宏觀物體動量很大，德布羅意波的波長很短，根本無法觀察到波動性。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)例1：一質(zhì)量為m=1×10-2kg，速度υ=3.0102m/s飛行的子彈，對應(yīng)的德布羅意波長為：例2：電子m=9.1

10-31kg，由靜止經(jīng)100V電壓加速，對應(yīng)的德布羅意波長為：太小，無法觀測到波動性可能觀察到電子的波動性新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：波粒二象性/概率波新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)三、量子力學(xué)的建立1.經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的現(xiàn)象：黑體輻射、光電效應(yīng)、氫原子光譜等。這些現(xiàn)象不是孤立的，而是在各類系統(tǒng)中普遍存在的，且都和原子、分子等微觀粒子的行為緊密聯(lián)系。在這些問題中經(jīng)典物理學(xué)往往連實驗結(jié)果的定性行為都無法解釋。這表明，微觀世界的物理規(guī)律和宏觀世界的物理定律可能存在巨大的差別。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.普朗克常量都扮演了關(guān)鍵性的角色。這就預(yù)示著這些理論之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。在它們的背后，應(yīng)該存在著統(tǒng)一描述微觀世界行為的普遍性規(guī)律。普朗克黑體輻射理論愛因斯坦光電效應(yīng)理論德布羅意物質(zhì)波假說康普頓散射理論玻爾氫原子理論普朗克常量h新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)①1925年，德國物理學(xué)家海森堡和玻恩等人對玻爾的氫原子理論進行了推廣和改造，使之可以適用于更普遍的情況。它們建立的理論被稱為矩陣力學(xué)。②1926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。把這個方程應(yīng)用于氫原子，就能很快得到氫原子光譜的公式。同時，這個方程還可以方便地應(yīng)用于其他的系統(tǒng)，使玻爾理論的局限得以消除。由于這個理論的關(guān)鍵是物質(zhì)波，因此被稱為波動力學(xué)。③1926年，薛定諤和美國物理學(xué)家埃卡特很快又證明，波動力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價的，它們是同一種理論的兩種表達方式。④隨后數(shù)年，以玻恩、海森堡、薛定諤、英國的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學(xué)家共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善和最終完整地建立起來。3.量子力學(xué)的建立過程新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)海森堡玻恩薛定諤狄拉克泡利量子力學(xué)的創(chuàng)立是物理學(xué)歷史上的一次重要革命。它和相對論共同構(gòu)成了20世紀以來物理學(xué)的基礎(chǔ)。量子力學(xué):描述微觀世界的理論。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)四、量子力學(xué)的應(yīng)用1.量子力學(xué)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展①人們認識了原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)；②粒子物理學(xué)的發(fā)展又促進了天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。③核物理的發(fā)展還讓人們成功地認識并利用了原子核反應(yīng)堆所釋放的能量——核能?！斑@是人們第一次利用太陽以外的能量?！毙抡n導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)2.量子力學(xué)推動了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展人們認識了原子的結(jié)構(gòu)，以及原子、分子和電磁場相互作用的方式。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了各樣各式的對原子和電磁場進行精確操控和測量的技術(shù)，如激光、核磁共振、原子鐘等。①激光技術(shù)使人們第一次擁有了純凈可控的光源，全球范圍內(nèi)的即時通信基礎(chǔ)之一就是以激光為載體的光纖網(wǎng)絡(luò)。②核磁共振技術(shù)是人們可以利用振蕩的磁場測量材料中原子的性質(zhì)，被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物研究和醫(yī)學(xué)診斷。③原子鐘利用原子為電磁波校準頻率，從而實現(xiàn)了對時間的高精度測量。在日常生活和國家安全中發(fā)揮了巨大作用的衛(wèi)星定位技術(shù)，其核心部件就是原子鐘。核磁共振銫原子鐘新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)3.量子力學(xué)推動了固體物理的發(fā)展人們了解了固體中電子運行的規(guī)律，弄清了為什么固體有導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之分?？茖W(xué)家們利用半導(dǎo)體的獨特性質(zhì)發(fā)明了晶體管等各類固態(tài)電子器件，并結(jié)合激光光刻技術(shù)制造了大規(guī)模集成電路，俗稱“芯片”。這些器件利用固體的微觀結(jié)構(gòu)對電路進行操控，速度和可靠性都遠勝過去的電子管，而體積則小得多。晶體管激光光刻技術(shù)集成電路靠它們，人們才可以制造體積小且功能強大的電子計算機、智能手機等信息處理設(shè)備，真正走進信息時代。新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)視頻演示：量子力學(xué)的創(chuàng)立和索爾維會議新課導(dǎo)入知識講解隨堂練習(xí)課堂小結(jié)布置作業(yè)五、學(xué)以致用提高練習(xí)1.下列關(guān)于德布羅意波的認識正確的是()A．不管靜止的還是運動的物體都有一種波和它對應(yīng)，這就是物質(zhì)波B．X光的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C．電子的衍射證實了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D．宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象，所以宏觀物體不具有波動性【答案】C【解析】A錯：只有運動的物體才具有波動性．B錯：X光是波長很短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實物質(zhì)波的存在．C對：電子是實物粒子，其衍射證實了物質(zhì)波的存在．D錯：宏觀物體由于動量太大，德布羅意波長太小，所以看不到它的干涉、衍射現(xiàn)象，但宏觀物體仍具有波動性．隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)2．波粒二象性是微觀粒子的基本特征，以下說法正確的是（）A．光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的波動性B．熱中子束射到晶體上產(chǎn)生衍射圖樣，說明中子具有波動性C．黑體輻射的實驗規(guī)律可用光的波動性解釋D．動能相等的質(zhì)子和電子，它們的德布羅意波長也相等【答案】B【解析】A．光電效應(yīng)現(xiàn)象揭示了光的粒子性，故A錯誤；B．衍射是波特有的性質(zhì)，熱中子束射到晶體上產(chǎn)生的衍射圖樣，說明中子具有波動性，故B正確；C．黑體輻射的實驗規(guī)律無法用光的波動性解釋，為了解釋黑體輻射規(guī)律，普朗克建立了量子理論，成功解釋了黑體輻射的實驗規(guī)律，故C錯誤；D．由和可知，由于質(zhì)子和電子的質(zhì)量不同，則動能相同的質(zhì)子和電子，其動量不同，故其波長也不相同，故D錯誤。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)3.下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是（）A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的干涉表明光具有波動性D．康普頓效應(yīng)表明光具有波動性【答案】C【解析】A．光既是波又是粒子，故A錯誤；B．光子是以場形式存在的物質(zhì)，不是實物粒子，而電子則是實物粒子，所以它們不是同樣的一種粒子，故B錯誤；C．干涉和衍射是波的特有現(xiàn)象，光的干涉表明光具有波動性，故C正確；D．康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性，故D錯誤。故選C。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)4.用很弱的電子束做雙縫干涉實驗，把入射電子束減弱到可以認為電子源和感光膠片之間不可能同時有兩個電子存在，如圖所示為不同數(shù)量的電子照射到感光膠片上得到的照片。這些照片說明()A．電子只有粒子性沒有波動性B．少量電子的運動顯示粒子性，大量電子的運動顯示波動性C．電子只有波動性沒有粒子性D．少量電子的運動顯示波動性，大量電子的運動顯示粒子性【答案】B隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)5.(多選)下列關(guān)于量子力學(xué)的發(fā)展史及應(yīng)用的說法中，正確的是()A．量子力學(xué)完全否定了經(jīng)典力學(xué)B．量子力學(xué)是在早期量子論的基礎(chǔ)上創(chuàng)立的C．量子力學(xué)使人們深入認識了微觀世界的組成、結(jié)構(gòu)和屬性D．晶體管“芯片”等器件利用固體的微觀結(jié)構(gòu)對電路進行操控，是量子力學(xué)在固體物理中的應(yīng)用【答案】BCD隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)6.關(guān)于德布羅意波波長，下列說法正確的是（）A．動量相同的不同物體（包括宏觀物體和微觀粒子），它們具有相同的德布羅意波波長B．動能相同的不同物體，它們具有相同的德布羅意波波長C．速率相同的不同物體，它們具有相同的德布羅意波波長D．只有動量相同的不同微觀粒子，它們才具有相同的德布羅意波長【答案】A【解析】由德布羅意波長公式知，只要物體的動量p相同，則它們的德布羅意波波長就相同，故A正確，BCD錯誤。故選A。隨堂練習(xí)新課導(dǎo)入知識講解課堂小結(jié)布置作業(yè)7.利用金屬晶格(大小約10－10m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子束通過電場加速后，照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣。已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為h，則下列說法中正確的是（