1、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情境引入情境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?新知探究新知探究一、粒子的波动性一、粒子的波动性德布罗意(De Broglie)，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。1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。德布罗意提出假设：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。粒子的能量和动量p跟它所对应的波的
2、频率和波长之间，遵从如下关系：这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波德布罗意波，也叫作物质波物质波。phh,根据测算,羽毛球离拍时的最大速度可达到288 km/h,羽毛球的质量为5.0 g,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?羽毛球的速度v=288 km/h=80 m/s,其德布罗意波长=h/p=(6.6310-34)/(5.010-380)m=1.6610-33 m波长太短,无法观察到羽毛球的波动性。 任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小的缘故。 德布罗意假说是光子的波粒二象性的一种推广,使
3、之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。 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。二、二、物质波的实验验证物质波的实验验证CsUKG多晶薄膜高压栅极阴极电子衍射实验电子衍射图样此后，人们相继证实了质子、中子以及原子、分子等都具有波动性。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
4、质。换句话说，它们和光一样，也具有波粒二象性。如图甲,质子束被加速到接近光速;如图乙,中子星是质量、密度非常大的星体。请思考:(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律?如何研究质子束的运动规律?(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律?如何研究中子星表面的物理规律?三、量子力学的建立三、量子力学的建立普朗克黑体普朗克黑体辐射理论辐射理论爱因斯坦爱因斯坦光电效应光电效应理论理论德布罗德布罗意物质意物质波假说波假说康普顿散康普顿散射理论射理论玻尔氢原玻尔氢原子理论子理论普朗克常普朗克常量量h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
5、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。推动了核物理和粒子物理的发展。人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。四、量子力学的应用四、量子力学的应用推动了原子、分子物理和光学的发展。人们认识了原子的结构,以及原子、分子和电磁场相互作用的方式。推动了固体物理的发展。人们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。利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件,并结合激光光刻技术制造了大规模集成电
6、路,俗称“芯片”。量子力学的应用还有很多。毫不夸张地说，在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了人类的进步。“一步一重天，百步上云端”，人类探索自然的步伐不会停息，量子力学必将在这个征途上继续发挥巨大的基础性作用。1931年1931年1931年1931年1931年1931年1931年1931年电子显微镜电子显微镜核磁共振核磁共振核反应堆核反应堆晶体管晶体管原子钟原子钟激光激光发光二极管发光二极管信息存储技术信息存储技术课堂小结课堂小结粒子的波动性和量子力学的建立粒子的波动性物质波的实验验证量子力学的建立量子力学的应用随堂检测随堂检测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
7、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随堂检测随堂检测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向移动 AC随堂检测随堂检测3.(多选)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BD随堂检测随堂检测4.下列说法正确的是（）A波长最短的电磁辐射是X射线 B实现静电屏蔽一定要用密封的金属容器 C光的波动性是光子自身固有的性质 D黑体辐射电磁波的强度除与温度有关外，还与物体的材料等有关 C随堂检测随堂检测5.下列说法正确的是（）A黑体辐射电磁波的强度按波长分布，与黑体的温度无关 B爱因斯坦首次提出能量量子假说，成功解释了黑体辐射规律 C康普顿效应说明光具有粒子性，电子的衍射实验说明粒子具有波动性 D宏观物体的物质波波长非常小，极易观察到它的波动性 C再见再见
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