1、粒子的波動性和量子力學(xué)的建立【教學(xué)目標(biāo)】一、知識與技能1知道德布羅意波的波長和粒子動量關(guān)系。2了解量子力學(xué)的建立過程。二、過程與方法1了解物理學(xué)研究的基礎(chǔ)是實驗事實以及實驗對于物理研究的重要性。2知道某一物質(zhì)在不同環(huán)境下所表現(xiàn)的不同規(guī)律特性。三、情感、態(tài)度與價值觀1通過學(xué)生閱讀和教師介紹講解，使學(xué)生了解科學(xué)真知的得到并非一蹴而就，需要經(jīng)過一個較長的歷史發(fā)展過程，不斷得到糾正與修正。2通過相關(guān)理論的實驗驗證，使學(xué)生逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。3通過了解電子衍射實驗，使學(xué)生了解創(chuàng)造條件來進行有關(guān)物理實驗的方法?！窘虒W(xué)重點】實物粒子和光子一樣具有波粒二象性，德布羅意波長和粒子動量關(guān)系?！窘虒W(xué)難點】實

2、物粒子的波動性的理解。【教學(xué)過程】一、復(fù)習(xí)提問、新課導(dǎo)入我們已經(jīng)知道：光是一種波，同時也是一種粒子，光具有波粒二象性。光的分立性和連續(xù)性是相對的，是不同條件下的表現(xiàn)，光子的行為服從統(tǒng)計規(guī)律。光子在空間各點出現(xiàn)的概率遵從波動規(guī)律，物理學(xué)中把光波叫做概率波。而電子、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？二、新課教學(xué)（一）粒子的波動性法國科學(xué)家德布羅意考慮到普朗克能量子和愛因斯坦光子理論的成功，大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子。他認(rèn)為，“整個世紀(jì)以來（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動的研究方法來，如果說是過于忽視了粒子的研究方法的話，那么在實物的理論中，是否發(fā)生了相反

3、的錯誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過分忽略了波的圖象呢？”1德布羅意波實物粒子也具有波動性，這種波稱之為物質(zhì)波，也叫德布羅意波。一個質(zhì)量為m的實物粒子以速率v運動時，即具有以能量和動量p所描述的粒子性，同時也具有以頻率v和波長l所描述的波動性。而且v=h，=hp。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。結(jié)論：一切實物粒子都具有波動性。實物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動的特性。這種和實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波（物質(zhì)波或概率波），其波長稱為德布羅意波長。2德布羅意波長由光的波粒二象性的思想推

4、廣到微觀粒子和任何運動著的物體上，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個運動著的物體都有一種波與它相對應(yīng)，該波的波長?=/?。例題1：試估算一個中學(xué)生在跑百米時的德布羅意波長。解：一個中學(xué)生的質(zhì)量大約為m50kg，百米跑時的速度約為v7m/s，由光子的動量表達式有：?=/?=1.910-36m。由計算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動性。由于德布羅意博士論文獨創(chuàng)性，得到了答辯委員會的高度評價，但是人們總覺得他的想法過于玄妙，無法接受。于是，有人質(zhì)問：有什么可以驗證這一新的觀念？如果你是德布羅意，將如何驗證自己的觀點？（二）物質(zhì)波的實驗驗證1電子衍射實驗11927年，C

5、.J.戴維森與雷斯特革末做電子衍射實驗，驗證電子具有波動性。戴維森和革末的實驗是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗證了物質(zhì)波的存在。2電子衍射實驗21927年，G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨立完成了電子衍射實驗。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。電子束在穿過細晶體粉末或薄金屬片后，也像X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。此后，人們相繼證實了原子、分子、中子等都具有波動性。3電子雙縫實驗1961年克勞斯約恩松（Claus Jnsson）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

6、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。4物質(zhì)波的應(yīng)用物質(zhì)波的一個最重要的應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明。第一臺電子顯微鏡是由德國魯斯卡研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎。從波動光學(xué)可知，由于顯微鏡的分辨本領(lǐng)與波長成反比，光學(xué)顯微鏡的最大分辨距離大于0.2m，最大放大倍數(shù)也只有1000倍左右。自從發(fā)現(xiàn)電子有波動性后，電子束德布羅意波長比光波波長短得多，而且極方便改變電子波的波長，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡。教師展示電子顯微鏡下的照片。（三）量子力學(xué)的建立19、20世紀(jì)之交，人們在黑體輻射、光電效應(yīng)、氫原子光譜等許多類問題中，都發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象

7、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相關(guān)。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。這就表明，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，人們需要建立描述微觀世界的物理理論。德國物理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。他們建立的理論被稱為矩陣力學(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，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)。1926年，薛定諤和美國物理學(xué)家?？ㄌ睾芸煊肿C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

8、種理論的兩種表達方式。隨后數(shù)年，在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國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終完整地建立起來，它被稱為量子力學(xué)。（四）量子力學(xué)的應(yīng)用量子力學(xué)被應(yīng)用到眾多具體物理系統(tǒng)中，得到了與實驗符合得很好的結(jié)果，獲得了極大的成功。1借助量子力學(xué)，人們深入認(rèn)識了微觀世界的組成、結(jié)構(gòu)和屬性。2量子力學(xué)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。核物理的發(fā)展，還讓人們成功地認(rèn)識并利用了原子核反應(yīng)堆所釋放的能量核能。愛因斯坦說：“這是人們第一次利用太陽以外的能量?！?量子力學(xué)推動了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。激光、核磁共振、原子鐘，等等。4量子力學(xué)推

9、動了固體物理的發(fā)展。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”?？克鼈?，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，真正走進了信息時代。此外，固體物理學(xué)的發(fā)展，還為人們帶來了低能耗高亮度的半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)，并讓人們認(rèn)識了超導(dǎo)等一系列神奇的現(xiàn)象?！揪毩?xí)鞏固】1判一判（1）德布羅意認(rèn)為實數(shù)粒子也具有波動性。（ ）（2）光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋電磁理論。（ ）（3）波長較長的光只有波動性，沒有粒子性。（ ）（4）向前飛行的子彈具有波動性。（ ）2下列說法中正確的（ ）A質(zhì)量大的物體，其德布羅意波長短B速度大的物體，其德布羅意波長短C動量大的物體，其德布羅意波長短D動能大的物體，其德布羅意波長短答案：C3根據(jù)物質(zhì)波理論，以下說法中正確的是（ ）A微觀粒子有波動性，宏觀物體沒有波動性B宏觀物體和微觀粒子都具有波動性C宏觀物體的波動性不易被人觀察到是因為它的波長太長D速度相同的質(zhì)子和電子相比，電子的波動性更為明顯答案：BD42002年諾貝爾物理學(xué)獎中的一項是獎勵美國科學(xué)家賈科尼和日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)現(xiàn)了宇宙X射線源。X射線是一種高頻電磁波，若X射線在真空中的波長為，以h表示普朗克常量，c表示真空中的光速，以E和p