資源簡介

4.5 粒子的波動性和量子力學的建立
學習目標
1、知道實物粒子具有波動性，感悟科學家的探求精神。
2、通過對物質波的實驗驗證內容的學習，感受實驗研究這一重要的研究方法，理解德布羅意波，會解釋相關現象。
3、知道量子力學的建立過程及量子力學的應用。
重點難點
1、德布羅意波的波長和粒子動量關系。（重點）
2、量子力學的建立過程。（難點）
自主探究
一、粒子的波動性
1.德布羅意波：
(1)定義：每一個運動的粒子都與一個對應的波相聯系，這種波叫物質波，又叫德布羅意波。
(2)物質波波長、頻率的計算公式：。
2.我們之所以看不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體的動量太大，德布羅意波長太小的緣故。
3.德布羅意假說是光的波粒二象性的推廣，即光子和實物粒子都既具有粒子性又具有波動性，即具有波粒二象性。與光子對應的波是電磁波，與實物粒子對應的波是物質波。
二、物質波的實驗驗證
1.1927年戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射的實驗，從而證實了電子的波動性。
2.人們陸續證實了質子、中子以及原子、分子的波動性，對于這些粒子，德布羅意給出的關系同樣正確。
三、量子力學的建立
1.19、20世紀之交，人們在黑體輻射、光電效應、氫原子光譜等許多類問題中，都發現了經典物理學無法解釋的現象。
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。
2.1926年，奧地利物理學家薛定諤提出了物質波滿足的方程——薛定諤方程，使玻爾理論的局限得以消除。由于這個理論的關鍵是物質波，因此被稱為波動力學。
3.1926年，薛定諤和美國物理學家埃卡特很快又證明，波動力學和矩陣力學在數學上是等價的，它們是同一種理論的兩種表達方式。
4.隨后數年，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。
四、量子力學的應用
量子力學被應用到眾多具體物理系統中，得到了與實驗符合得很好的結果，獲得了極大的成功。
1.借助量子力學，人們深入認識了原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質結構。
2.量子力學推動了核物理、粒子物理的發展。
3.量子力學推動了原子、分子物理和光學的發展。
4.量子力學推動了固體物理的發展。
探究思考
一、物質波（德布羅意波）
1、物質波的波長、頻率關系式
2、說明
（1）人們陸續證實了質子、中子以及原子、分子的波動性。對于這些粒子，德布羅意給出的關系同樣正確。
（2）宏觀物體的質量比微觀粒子大得多，它們運動時的動量很大，對應的德布羅意波的波長很短，根本無法觀察到它們的波動性。
【典例一】1、下列對于德布羅意波的認識,正確的是( )
A.光波是一種物質波
B.X光的衍射證實了物質波的假設是正確的
C.電子的衍射證實了物質波的假設是正確的
D.宏觀物體運動時,看不到它的衍射或干涉現象,所以宏觀物體不具有波動性
解題思路：光波是電磁波,A錯誤;宏觀物體由于波長太短,所以看不到它的干涉、衍射現象,但仍具有波動性,D錯誤;電子的衍射證實了物質波的假設是正確的,B錯誤,C正確。
答案：C
二、量子力學的發展與應用
1、對量子力學、狹義相對論和核物理的深入研究，為人類找到了一種新能源——核能。
2、當量子力學被應用到固體等復雜體系時，它解釋了材料為何有導體、絕緣體和半導體之分，并提出了半導體二極管、三極管等概念，后來發展為集成電路，成為現代電子計算機的技術基礎。
【典例二】2、在通往量子論的道路上，許多物理學家做出了卓越的貢獻，下列有關說法正確的是( )
A.愛因斯坦提出光子說，并成功地解釋了光電效應現象
B.德布羅意第一次將量子觀念引入原子領域，提出了定態和躍遷的概念
C.玻爾把能量子引入物理學，破除了“能量連續變化”的傳統觀念
D.普朗克把光的波粒二象性推廣到實物粒子，預言實物粒子也具有波動性
解題思路：愛因斯坦提出光子說，并成功地解釋了光電效應現象，A正確；玻爾第一次將量子觀念引入原子領域，提出了定態和躍遷的概念，B錯誤；普朗克把能量子引入物理學，破除了“能量連續變化”的傳統觀念，C錯誤；德布羅意把光的波粒二象性推廣到實物粒子，預言實物粒子也具有波動性，D錯誤
答案： A
隨堂訓練
1、有關光的本性,下列說法正確的是( )
A.光具有波動性,又具有粒子性,這是相互矛盾和對立的
B.光的波動性類似于機械波,光的粒子性類似于質點
C.大量光子才具有波動性,個別光子具有粒子性
D.由于光具有波動性,又具有粒子性,無法只用一種去說明光的一切行為,故光具有波粒二象性
答案：D
2、關于物質的波粒二象性,下列說法不正確的是( )
A.不僅光子具有波粒二象性,一切運動的微粒都具有波粒二象性
B.運動的微觀粒子與光子一樣,當它們通過一個小孔時,都沒有特定的運動軌跡
C.宏觀物體的運動有特定的軌跡,所以宏觀物體不具有波粒二象性
D.康普頓效應說明了光具有粒子性
答案：C
3、下列對于光的波粒二象性的理解正確的是( )
A.大量光子的效果往往表現出波動性,個別光子的行為往往表現出粒子性
B.光在傳播時是波,而與物質相互作用時就轉變成粒子
C.高頻光是粒子,低頻光是波
D.波粒二象性是光的根本屬性,有時它的波動性顯著,有時它的粒子性顯著
答案：AD
4、波粒二象性是微觀世界的基本特征,以下說法正確的是( )
A.光電效應現象揭示了光的粒子性
B.熱中子束射到晶體上產生的衍射圖樣說明中子具有波動性
C.黑體輻射的實驗規律可用光的波動性解釋
D.動能相等的質子和電子,它們的德布羅意波長也相等
答案：AB
2

展開更多......

收起↑