第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性學習目標1.

通過對干涉、衍射、光電效應等實驗現(xiàn)象的分析,了解光的波粒二象性及實驗證據(jù),感受微觀粒子運動的復雜性.2.通過對物質(zhì)波概念的提出和實驗驗證內(nèi)容的學習,知道實物粒子和光一樣也具有波粒二象性,領(lǐng)會對稱性的研究方法,感受科學家的探究精神.3.通過對量子力學建立過程和量子力學應用的學習,了解量子力學是描述微觀粒子運動規(guī)律的普遍理論,了解量子力學在生產(chǎn)、生活、科技、軍事等方面的應用,感受科學的成就推動了技術(shù)的進步.5

粒子的波動性和量子力學的建立知識點一

粒子的波動性1.光的本性:光的

、

、

等現(xiàn)象證明光具有波動性;麥克斯韋從理論上預言光是

,揭示了光的電磁本質(zhì);光電效應和康普頓效應證明光具有

.綜上所述,光具有

.2.物質(zhì)波:法國物理學家德布羅意深受光的波粒二象性的啟發(fā),提出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的波相聯(lián)系,這種波稱為物質(zhì)波.某實物粒子的能量為ε、動量為p,對應的物質(zhì)波的頻率ν、波長λ分別為多少?

干涉衍射偏振電磁波粒子性波粒二象性知識點二物質(zhì)波的實驗驗證1.圖甲和圖乙分別是科學家們通過實驗得到的電子的衍射圖樣和干涉條紋,電子的衍射和干涉現(xiàn)象說明了什么?答案:光的衍射和干涉現(xiàn)象是光具有波動性的有力證據(jù),電子也可以產(chǎn)生干涉和衍射現(xiàn)象,說明實物粒子也具有波動性.甲乙2.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

的性質(zhì),而且具有

的性質(zhì).換句話說,它們和光一樣,也具有

.3.宏觀物體是否也有波動性?不借助儀器,我們能觀察到宏觀物體的波動性嗎?

粒子波動波粒二象性知識點三量子力學的建立1.“早期量子論”包括普朗克

、愛因斯坦

、康普頓

、玻爾

、德布羅意

等,這些理論都是針對一個特定的具體問題,都不是統(tǒng)一的普遍性理論.2.量子力學的建立.(1)1925年,德國物理學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

.黑體輻射理論光電效應理論散射理論氫原子理論物質(zhì)波假說矩陣力學(2)1926年,奧地利物理學家薛定諤提出了物質(zhì)波滿足的方程——

.把這個方程應用于氫原子,就很容易能得到氫原子光譜的公式.同時,這個方程還可以方便地應用于其他的系統(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

.(3)兩種理論的統(tǒng)一:波動力學和矩陣力學在數(shù)學上是

,它們是同一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、狄拉克、泡利為代表的眾多物理學家的共同努力下,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

.薛定諤方程波動力學等價的量子力學知識點四量子力學的應用2.量子力學推動了核物理和粒子物理的發(fā)展.核物理的發(fā)展,讓人們成功地認識并利用了原子核反應堆所釋放的能量,即

.核能3.量子力學推動了原子、分子物理和光學的發(fā)展.我們今天能在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)即時通信,基礎(chǔ)之一就是以

為載體的光纖網(wǎng)絡(luò).核磁共振技術(shù)被廣泛地用于化學、生物研究和

.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;當下被廣泛應用的衛(wèi)星定位技術(shù),其核心部件就是

.4.量子力學推動了固體物理的發(fā)展.科學家們利用半導體的獨特性質(zhì)發(fā)明了

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

,俗稱“芯片”.靠這些芯片,制造了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.激光醫(yī)學診斷原子鐘晶體管集成電路小試身手判斷下列說法的正誤并和同學交流(正確的打“√”,錯誤的打“×”).1.光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象說明光具有波動性.()2.光的波粒二象性徹底推翻了麥克斯韋電磁理論.()3.德布羅意認為實物粒子也具有波動性.()4.電子的衍射現(xiàn)象證實了實物粒子具有波動性.()5.向前飛行的子彈只有粒子性沒有波動性.()6.牛頓第二定律適用于宏觀物體的運動,量子力學適用于微觀粒子的運動.()7.原子鐘實現(xiàn)了對時間的高精度測量.()√×√√×√√探究一實物粒子的波動性問題情境光能發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象,表明光具有明顯的波動特征,光電效應和康普頓效應又表明光具有粒子性.有一位偉大的物理學家大膽地把光的波粒二象性推廣到實物粒子,有人認為他很大膽,有人認為他很有預見性.1.這位物理學家是誰?他提出了怎樣的假設(shè)?他運用了怎樣的思維方法?

2.德布羅意認為任何運動著的物體均有波動性,可是我們觀察運動著的汽車時,并未感覺到它的波動性.你如何理解該問題?談談自己的認識.答案:一切微觀粒子都存在波動性,宏觀物體(汽車)也存在波動性,只是因為宏觀物體質(zhì)量大,動量大,波長短,難以觀測,但微觀粒子如電子、質(zhì)子、中子以及原子、分子的波動性為宏觀物體具有波動性奠定了事實基礎(chǔ).過程建構(gòu)

(2)德布羅意波是一種概率波,粒子在空間各處出現(xiàn)的概率服從波動規(guī)律.不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波.電子、實物粒子等其他微觀粒子,同樣具有波粒二象性,所以與它們相聯(lián)系的德布羅意波也是概率波.(3)物質(zhì)波的假說是光的波粒二象性的推廣,實物粒子和光子都既具有粒子性,又具有波動性.與光子對應的波是電磁波,與實物粒子對應的波是德布羅意波.【典例1】一顆炮彈的質(zhì)量為5kg,普朗克常量h=6.63×10-34

J·s.(1)該炮彈以200m/s的速度運動時,它的德布羅意波長多大?(2)假設(shè)它以光速運動(不考慮相對論效應),它的德布羅意波長多大?(3)若要使它的德布羅意波長等于400nm,則它必須以多大的速度運動?

答案:(1)6.63×10-37m

(2)4.42×10-43m(3)3.32×10-28m/s計算物質(zhì)波波長的基本方法

探究二物質(zhì)波的實驗驗證問題情境1961年,瓊森將一束電子加速到能量為

50keV,讓其通過一縫寬為a=0.5×10-6m,間隔為d=2.0×10-6m的雙縫,當電子撞擊熒光屏時,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫干涉的實驗結(jié)果,示意圖如圖所示.1.電子是沿直線運動打到熒光屏上的嗎?熒光屏上出現(xiàn)的條紋說明了什么問題?本實驗有什么意義?答案:電子不是沿直線運動的,如果沿直線運動,那么熒光屏上不會出現(xiàn)明暗條紋;熒光屏上出現(xiàn)的條紋說明電子具有波動性;該實驗證實了德布羅意提出的物質(zhì)波的觀念是正確的.2.下列四幅圖分別是不同數(shù)目的電子一個一個通過雙縫后在熒光屏上形成的圖案.如何理解電子的波粒二象性?答案:對于電子和其他微觀粒子,與它們相聯(lián)系的物質(zhì)波是概率波,粒子在空間各處出現(xiàn)的概率服從波動規(guī)律,少量的電子顯示粒子性,大量的電子顯示波動性,所以實物粒子同樣具有波粒二象性.7個電子100個電子3000個電子70000個電子過程建構(gòu)按光子的模型,用統(tǒng)計觀點看待單個粒子與粒子總體的聯(lián)系,并將波的觀點與粒子觀點結(jié)合起來了,這里的波是特殊意義的波,即“概率波”.

這種對物質(zhì)波干涉和實物粒子的波粒二象性的理解,稱作統(tǒng)計解釋或概率解釋.【典例2】(多選)實物粒子和光都具有波粒二象性,下列事實中突出體現(xiàn)波動性的是(

)A.電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣B.人們利用慢中子衍射來研究晶體的結(jié)構(gòu)C.人們利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)D.光電效應實驗中,光電子的最大初動能與入射光的頻率有關(guān),與入射光的強弱無關(guān)答案:

ABC解析:干涉是波具有的特性,電子束通過雙縫實驗裝置后可以形成干涉圖樣,說明電子具有波動性,選項A正確.利用慢中子衍射來研究晶體的微觀結(jié)構(gòu),說明中子可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,具有波動性,選項B正確.利用電子顯微鏡觀測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),說明電子可以產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,具有波動性,選項C正確.光電效應現(xiàn)象體現(xiàn)的是光的粒子性,選項D錯誤.課堂評價1.下列說法正確的是(

)A.物質(zhì)波屬于機械波B.只有像電子、質(zhì)子、中子這樣的微觀粒子才具有波動性C.德布羅意認為,任何一個運動著的物體,小到電子、質(zhì)子,大到行星、太陽,都有一種波和它對應,這種波叫物質(zhì)波D.宏觀物體運動時,看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體運動時不具有波動性答案:C解析:物質(zhì)波是一切運動著的物體所具有的波,與機械波性質(zhì)不同.宏觀物體也具有波動性,只是干涉、衍射現(xiàn)象不明顯而已.只有選項C正確.2.如果一個電子的德布羅意波長和一個中子的相等,那么它們的下列物理量也相等的是(

)A.速度

B.動能C.動量

D.總能量

答案:C3.(2022·浙江卷)(多選)電子雙縫干涉實驗是近代證實物質(zhì)波存在的實驗.如圖所示,電子槍持續(xù)發(fā)射的電子動量為1.2×10-23kg·m/s,然后讓它們通過雙縫打到屏上.已知電子質(zhì)量取9.1×10-31kg,普朗克常量取6.6×10-34J·s,下列說法正確的是(

)A.發(fā)射電子的動能約為8.0×10-15JB.發(fā)射電子的物質(zhì)波波長約為5.5×10-11mC.只有成對電子分別同時通過雙縫才能發(fā)生干涉D.如果電