第四章原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性4.5粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立目錄CONTENTS1

學(xué)習(xí)目標(biāo)2

新課導(dǎo)入3

新課講解4

課堂小結(jié)5

典例分析當(dāng)堂小練61．知道實(shí)物粒子具有波動(dòng)性，領(lǐng)會(huì)對(duì)稱性的研究方法，感悟科學(xué)家的探求精神。2．過對(duì)物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)容的學(xué)習(xí)，感受實(shí)驗(yàn)研究這一重要的研究方法。3．通過對(duì)科學(xué)漫步的閱讀，感受科學(xué)的成就推動(dòng)了技術(shù)的進(jìn)步。學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過對(duì)雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問題的研究，人們終于認(rèn)識(shí)到光既有粒子性，又有波動(dòng)性。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到如電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子是具有粒子性的，那么，實(shí)物粒子是否也會(huì)同時(shí)具有波動(dòng)性呢？新課導(dǎo)入電磁波光子光的波動(dòng)性光的粒子性波長頻率波速動(dòng)質(zhì)量能量動(dòng)量波的干涉波的衍射橫波偏振波動(dòng)參量波的行為特性粒子參量粒子的行為特性黑體輻射光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)一、粒子的波動(dòng)性他提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系。1924年，德布羅意在對(duì)光的波粒二象性、玻爾氫原子理論以及相對(duì)論的深入研究的基礎(chǔ)上，把波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等。德布羅意，法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。這種波叫做物質(zhì)波，也叫德布羅意波。粒子性波動(dòng)性普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁。實(shí)物粒子具有波粒二象性。新課講解二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1、實(shí)驗(yàn)思路找到電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子干涉和衍射的圖樣物質(zhì)波驗(yàn)證方法：波的干涉波的衍射波的行為特性單縫寬0.8mm單縫寬0.4mm其德布羅意波的波長為：則質(zhì)量運(yùn)動(dòng)速率靜止質(zhì)量若已知m0，v。若對(duì)于一個(gè)自由的實(shí)物粒子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能靜止質(zhì)量若已知m0，Ek則動(dòng)量大小其德布羅意波的波長為：若則2、某電子的動(dòng)能Ek=100eV，求它的德布羅意波長。已知電子的靜止質(zhì)量m0e=9.11×10-31kg,1eV=1.6×10-19J。與X射線的波長相近，其波動(dòng)性不可忽略。解析：波長短到無法檢測，其波動(dòng)性可以忽略。1、某子彈的質(zhì)量m0=0.01kg，v=400m/s，求它的德布羅意波長。普朗克常量h=6.63×10-34J·s。解析：X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射若電子具有波動(dòng)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。X射線衍射圖樣X射線的頻率范圍30PHz~300EHz，對(duì)應(yīng)波長為1pm~10nm，能量為124eV~1.24MeV。0.1nm2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。因此，共同獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實(shí)驗(yàn)⑴實(shí)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（2）實(shí)物粒子的干涉圖樣大量電子的一次行為

在后來的實(shí)驗(yàn)中，人們還進(jìn)一步觀測到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。三、量子力學(xué)的建立1925年，德國物理家海森堡和玻恩等人建立了矩陣力學(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。波動(dòng)力學(xué)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)波假說玻爾氫原子理論康普頓散射理論普朗克常量h

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)（quantummechanics）。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(duì)論共同構(gòu)成了20世紀(jì)以來物理學(xué)的基礎(chǔ)。四、量子力學(xué)的應(yīng)用1、推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展這是人們第一次利用太陽以外的能量最微觀層次和最宏觀層次的規(guī)律，竟有著緊密的聯(lián)系！發(fā)展了各式各樣的對(duì)原子和電磁場進(jìn)行精確操控和測量的技術(shù)，如激光、核磁共振、原子鐘等等。光纖通信2、推動(dòng)原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展激光技術(shù)核磁共振3、推動(dòng)了固體物理的發(fā)展晶體管集成電路量子力學(xué)的創(chuàng)立和索爾維會(huì)議1、粒子的波動(dòng)性

實(shí)物粒子既具有粒子性，也具有波動(dòng)性這種波叫做物質(zhì)波，二者通過h來聯(lián)系。2、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證觀測電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子干涉和衍射的圖樣3、量子力學(xué)的建立4、量子力學(xué)的應(yīng)用課堂小結(jié)【例題1】下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)正確的是(

)A.任何一個(gè)物體都有一種波和它對(duì)應(yīng),這就是物質(zhì)波B.X光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C.電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí),看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體不具有波動(dòng)性C典例分析解析：運(yùn)動(dòng)的物體才具有波動(dòng)性，A項(xiàng)錯(cuò)；宏觀物體由于動(dòng)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，但仍具有波動(dòng)性，D項(xiàng)錯(cuò)；X光是波長極短的電磁波，是光子，它的衍射不能證實(shí)物質(zhì)波的存在，B項(xiàng)錯(cuò)；只有C項(xiàng)正確?！纠}2】

(多選)關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論與量子論的說法正確的是(

)A.當(dāng)物體的速度接近光速時(shí),經(jīng)典力學(xué)就不適用了B.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn),使經(jīng)典力學(xué)失去了意義C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性D.萬有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力AC解析：經(jīng)典力學(xué)只適用于低速宏觀的物體,故A正確;相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn),并沒有否定經(jīng)典力學(xué),只是說經(jīng)典力學(xué)有一定的適用范圍,故B錯(cuò)誤;量子力學(xué)描述了微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性,故C正確;萬有引力定律對(duì)于強(qiáng)相互作用力是不適用的,故D錯(cuò)誤?！纠}3】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（）A.該實(shí)驗(yàn)說明了電子具有粒子性

B.實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長為λ＝C.加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越明顯

D.若用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯B解析：實(shí)驗(yàn)得到了電子的衍射圖樣，說明電子這種實(shí)物粒子發(fā)生了衍射，說明電子具有波動(dòng)性，故A錯(cuò)誤；學(xué)以致用·隨堂檢測全達(dá)標(biāo)1．在歷史上，最早證明了德布羅意波存在的實(shí)驗(yàn)是(

)A．弱光衍射實(shí)驗(yàn)B．電子束在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)C．弱光干涉實(shí)驗(yàn)D．X射線的衍射實(shí)驗(yàn)答案：B解析：A錯(cuò)：弱光衍射實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性．B對(duì)：電子束在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)最早證明了德布羅意波的存在.1927年戴維森和G.P.湯姆孫分別用單晶和多晶晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，從而證實(shí)了德布羅意波的存在．C錯(cuò)：弱光干涉實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性．D錯(cuò)：X射線本身就是一種波，而不是實(shí)物粒子，故X射線的衍射實(shí)驗(yàn)不能證明德布羅意波的存在．2．關(guān)于德布羅意波，下列說法正確的是(

)A．所有物體不論其是否運(yùn)動(dòng)，都有對(duì)應(yīng)的德布羅意波B．任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一個(gè)波和它對(duì)應(yīng)，這就是德布羅意波C．運(yùn)動(dòng)著的電場、磁場沒有相對(duì)應(yīng)的德布羅意波D.只有運(yùn)動(dòng)著的微觀粒子才有德布羅意波，對(duì)于宏觀物體，不論其是否運(yùn)動(dòng)，都沒有相對(duì)應(yīng)的德布羅意波答案：B解析：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體，都有一個(gè)波與它對(duì)應(yīng)，這就是德布羅意波，也叫作物質(zhì)波，物質(zhì)有兩類——實(shí)物和場，B正確．3．(多選)為了觀察晶體的原子排列，可以采用下列方法：(1)用分辨率比光學(xué)顯微鏡更高的電子顯微鏡成像(由于電子的物質(zhì)波波長很短，能防止發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，因此電子顯微鏡的分辨率高)；(2)利用X射線或中子束得到晶體的衍射圖樣，進(jìn)而分析出晶體的原子排列．下列分析中正確的是(

)A．電子顯微鏡所利用的是電子的物質(zhì)波波長比原子尺寸小得多B．電子顯微鏡中電子束運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)很小C．要獲得晶體的X射線衍射圖樣，X射線波長要遠(yuǎn)小于原子的尺寸D．中子的物質(zhì)波波長可以與原子尺寸相當(dāng)答案：AD解析：由題目所給信息“電子的物質(zhì)波波長很短，能防止發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象”及發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件可知，電子的物質(zhì)波波長比原子尺寸小得多，A分析正確；電子的物質(zhì)波波長很短，則它的動(dòng)量很大，速度也很大，B分析錯(cuò)誤；由信息“利用X射線或中子束得到晶體的衍射圖樣”及發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件可知