1、第四章第四章 第第4 4节节 粒子的波动性和粒子的波动性和量子力学的建立量子力学的建立选择性必修 第三册新课导入新课导入思考与讨论思考与讨论:通过对双缝干涉、光电效应等一系列通过对双缝干涉、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、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，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？实物粒子是否也会同时具有波动性呢？新课教学新课教学 1924 1924年，法年，法国物理学家德布罗意在对国物理学家德布罗意在对光的波粒二象性
2、、玻尔氢原子理论以及光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把相对论的深入研究的基础上，把波粒二波粒二象性象性推广到推广到实物粒子实物粒子，如电子、质子等。，如电子、质子等。他提出假设：他提出假设：实物粒子也具有波动性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即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。相联系。1 1、粒子的波动性、粒子的波动性德布罗意，法国物理学家，德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。子力学的奠基人之一。德布罗意德布罗意提出假设提出假设:实物
3、粒子也具有波动性，即实物粒子也具有波动性，即每一个运动每一个运动的粒子的粒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 p跟跟它所对应的波的频率它所对应的波的频率v v和波长和波长 之间，遵从如下关系：之间，遵从如下关系：phh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。1 1、粒子的波动性、粒子的波动性普朗克常量普朗克常量h h架起了架起了粒子性与波动性之间粒子性与波动性之间的桥梁。的桥梁。波动性波动性粒子性粒子性新课教学新课教学一一质量为质量为
4、m m=1=11010-2-2kgkg，速度速度 =3.0=3.0 10102 2m/sm/s飞行的子弹，飞行的子弹，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：mmvh34103.2电子电子m m=9.1=9.1 1010-31-31kgkg，由静止经，由静止经100V100V电压加速电压加速，对应的德布罗意波长为：对应的德布罗意波长为：nmemUhmeUmhmvh12.022太小，无法观测到波动性太小，无法观测到波动性可能观察到电子的波动性可能观察到电子的波动性新课教学新课教学新课教学新课教学2 2、物质波的验证实验、物质波的验证实验 波的干涉波的干涉波的衍射波的衍射单缝宽单缝宽 0.8m
5、m0.8mm单缝宽单缝宽 0.4mm0.4mm如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应如果电子、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。该像光波那样也能发生干涉和衍射。2 2、物质波的验证实验、物质波的验证实验新课教学新课教学射线X射线衍射图样射线衍射图样 1912 1912年，德国物理学家劳厄年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳射线就是波长为十分之几
6、纳米的电磁波。米的电磁波。若若电子具有波动性电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象应也能观察到衍射现象。2 2、物质波的验证实验、物质波的验证实验新课教学新课教学CsUKG屏屏 P P多晶多晶薄膜薄膜高压高压栅极栅极阴极阴极电子衍射实验电子衍射实验X X射线衍射射线衍射19271927年年C.J.C.J.戴维森戴维森和和 G.P.G.P.汤姆孙（汤姆孙（J.J.J.J.汤姆孙之子）利用汤姆孙之子）利用电电子束穿过晶体子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同做了电子束的衍射实验。因此，共同获获19371937年年诺贝尔物理学奖。诺贝尔物
7、理学奖。汤姆孙汤姆孙戴维孙戴维孙实物粒子的衍射实物粒子的衍射新课教学新课教学2 2、物质波的验证实验、物质波的验证实验实物粒子的干射实物粒子的干射大量电子的一次行为大量电子的一次行为 19611961年年琼森琼森（Claus JnssonClaus Jnsson）将）将一束电子加速到一束电子加速到 50 Kev50 Kev，让其通过，让其通过一缝宽为一缝宽为 a a=0.5=0.5 1010-6-6 m m，间隔为，间隔为 d d=2.0=2.0 1010-6-6 m m 的双缝，当电子撞的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。射实验结果。新课教
8、学新课教学大量实验都证实了：质子、中子和原子、分大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布洛意关系。洛意关系。由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和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（德布罗意任何运动着的物体上去，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波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长与它对应，该波的波长 2 2、物质波的验证实验、物质波的验证实验hp新课教学新课教学3 3、量子力学的建立、量子力学的建立经典物理学无法解释的现象
9、：黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。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。新课教学新课教学3 3、量子力学的建立、量子力学的建立=hEK=hv-w0hp hv=En-EmPh普朗克常量普朗克常量都扮演都扮演了关键性的角色。了关键性的角色。新课教学新课教学3 3、量子力学的建立、量子力学的建立海森堡海森堡玻恩玻恩薛定谔薛定谔狄拉克狄拉克泡利泡利随后数年，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，众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论描述微观世界行为
10、的理论被逐步完善并最终完整地建被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为立起来，它被称为量子力学量子力学。3 3、量子力学的建立、量子力学的建立新课教学新课教学波动波动力学力学19251925年，德国物理家海森堡和玻恩等人建年，德国物理家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。立了矩阵力学。19261926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。3 3、量子力学的建立、量子力学的建立19381938年年新课教学新课教学核磁共振核磁共振19421942年年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核反
11、应堆核反应堆19481948年年晶体管晶体管19311931年年电子显微镜电子显微镜3 3、量子力学的建立、量子力学的建立19491949年年原子钟原子钟19601960年年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激光激光19621962年年发光二极管发光二极管新课教学新课教学19621962年年基于巨磁阻效应的高基于巨磁阻效应的高性能信息存储技术性能信息存储技术4 4、量子力学的应用、量子力学的应用新课教学新课教学中国第四代核反应堆中国第四代核反应堆核磁共振核磁共振铯原子钟铯原子钟集成电路集成电路量子力学推动了核物理、粒子物理、原量子力学推动了核物理、粒子物理
12、、原子、分子物理、光学、固体物理的发展子、分子物理、光学、固体物理的发展知识拓展知识拓展1927 年第五届索尔维会议参加者合影量子力学和相对论的创立，是量子力学和相对论的创立，是2020世纪物理学的两个主要进展，给人类的科学、技术和社会形态带来了极其世纪物理学的两个主要进展，给人类的科学、技术和社会形态带来了极其深刻的影响。相对论的创立，主要是爱因斯坦的贡献，而量子力学的创立则曲折得多，是普朗克、爱因斯深刻的影响。相对论的创立，主要是爱因斯坦的贡献，而量子力学的创立则曲折得多，是普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克等一大批杰出物理学家历时坦、玻尔、海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克等
13、一大批杰出物理学家历时3030年左右（自年左右（自19001900年普朗克提出能量年普朗克提出能量量子化到量子化到19201920年代末期量子力学框架基本成型）共同努力的结果。年代末期量子力学框架基本成型）共同努力的结果。习题练习习题练习(1)(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性。光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性。()(2)(2)光子数量越大，其粒子性越明显。光子数量越大，其粒子性越明显。()(3)(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。()(4)(4)一切宏观物体都具有波动性，即物质波。一切宏观物体都具有波动性，即物质波
14、。()(5)(5)湖面上的水波就是物质波。湖面上的水波就是物质波。()(6)(6)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。()【例题】【例题】(多选多选)下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是()A A量子力学完全否定了经典力学量子力学完全否定了经典力学B B量子力学是在早期量子论的基础上创立的量子力学是在早期量子论的基础上创立的C C量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性D D晶体管晶体管“芯片芯片”等器件利用固体的微观结构对电路进行
15、操控，是量子力学等器件利用固体的微观结构对电路进行操控，是量子力学在固体物理中的应用在固体物理中的应用ABCABC习题练习习题练习习题练习习题练习【例题】用很弱的电子束做双缝干涉实验，把入射电子束减弱到可以认为【例题】用很弱的电子束做双缝干涉实验，把入射电子束减弱到可以认为电子源和感光胶片之间不可能同时有两个电子存在，如图所示为不同数量电子源和感光胶片之间不可能同时有两个电子存在，如图所示为不同数量的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明()A A电子只有粒子性没有波动性电子只有粒子性没有波动性B B少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性C C电子只有波动性没有粒子性电子只有波动性没有粒子性D D少量电子的运动显示波动性，大量电子的运动显示粒子性少量电子的运动显示波动性，大量电子的运动显示粒子性B B
