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5. 粒子的波動性和量子力學的建立
人教版（2019）物理（選擇性必修第三冊）
第四章 原子結構和波粒二象性
目錄
素養目標
01
課程導入
02
新課講解
03
總結歸納
04
課堂練習
05
正確教育
素養目標
1.知道實物粒子的波動性假設和實驗驗證
2.知道實物粒子和光意義也具有波粒二象性
3.體會量子力學的建立對人們認識物質世界的影響
通過對雙縫干涉、光電效應等一系列問題的研究，人們終于認識到光既有粒子性，又有波動性。我們已經認識到如電子、質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？
光的波粒二象性：光既具有波動性又具有粒子性。
波長λ 越長，動量P 越小——波動性強，粒子性弱
波長λ 越短，動量P 越大——波動性弱，粒子性強
，p—粒子性
ν，λ—波動性
h—粒子性、波動性的橋梁
正確教育
粒子的波動性
德布羅意(De · Broglie)，法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創始人，量子力學的奠基人之一。1923年發表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質波的概念。
如同光波具有粒子性一樣，實物粒也具有波動性，即每一個運動的粒子都與一個對應波相聯系。這種波叫做物質波，也叫德布羅意波。
德布羅意
實物粒子既具有粒子性，也具有波動性，二者通過h來聯系。
1、德布羅意波：每一個運動的粒子都與對應的波長相聯系，這種與實物粒子相聯系的波，我們管這種波叫德布羅意波，也叫物質波.
2、物質波的波長：
3、物質波的頻率：
波動性
粒子性
普朗克常量h 架起了粒子性與波動性之間的橋梁。
4、大量實驗都證實了：質子、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系。一切實物粒子都有波動性。
德布羅意曾預言：電子通過一個小孔或晶體時會形成衍射條紋。
正確教育
物質波的實驗驗證
1.實驗思路
光
干涉和衍射現象
波動性
實驗
結論
干涉
衍射
物質波驗證方法：
找到電子、質子等實物粒子干涉和衍射的圖樣
屏 P
多晶薄膜
高壓
柵極
陰極
電子衍射實驗
1927年， 戴維孫和湯姆孫分別利用晶體做了電子束衍射實驗，獲得了衍射圖樣，證實了電子的波動性。他們因此獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。
2.實驗材料
比如電子的質量m=9.1×10-31kg，用200V的加速電壓給他加速能量就是200eV。此時它的波長是多少呢？
與X射線的波長相當
因此，如果電子具有波動性，就可以用觀察X射線通過晶體是會發生衍射的裝置觀察到電子的衍射。
0.1 nm
3.實驗驗證——衍射圖樣
G.P湯姆孫
戴維森
1927年戴維森和湯姆孫分別用單晶和多晶晶體做了電子束衍射的實驗，得到了的衍射圖樣，從而證實了電子的波動性。
大量電子的一次行為
3. 實驗驗證——干涉圖樣
在后來的實驗中，人們還進一步觀測到了電子德布羅意波的干涉現象。
1、計算質量為 10-2Kg，速度為 5.0 102m/s飛行的子彈對應的德布羅意波長。
2、計算質量m為 9.1 10-31Kg，速度為 5.0 107m/s的電子對應的德布羅意波長。
太小測不到！
X 射線波段
宏觀物體的波動性很小不必考慮，只考慮其粒子性。
為什么感受不到宏觀物體的波動性呢？
思考
4. 物質波的應用
利用可見光工作的光學顯微鏡，由于衍射現象的限制，其分辨本領不能無限提高。
而現代科技中常常用到的電子顯微鏡，其分辨本領可以達到0.2nm甚至更小，能夠看到蛋白質分子和金屬的晶體結構。
電子顯微鏡的原理便是，電子束也是一種波，當把它加速時，其德布羅意波長比可見光的波長短的多，衍射現象的影響非常小，從而可以達到較高的分辨率。
電子顯微鏡下的生命
電子顯微鏡下的蟲螨
1.關于物質波，以下觀點不正確的是(　　)
A．只要是運動著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應的波與之對應，這就是物質波
B．只有運動著的微觀粒子才有物質波，對于宏觀物體，不論其是否運動，都沒有相對應的物質波
C．由于宏觀物體的德布羅意波長太小，所以無法觀察到它們的波動性
D．電子束照射到金屬晶體上得到電子束的衍射圖樣，從而證實了德布羅意的假設是正確的
經典例題
B
答案：B
解析：只要是運動著的物體，不論是宏觀物體還是微觀粒子，都有相應的波與之對應，這就是物質波，故A正確，B錯誤；由于宏觀物體的德布羅意波長太小，所以無法觀察到它們的波動性，故C正確；電子束照射到金屬晶體上得到了電子束的衍射圖樣，從而證實了德布羅意的假設是正確的，故D正確．
正確教育
量子力學的建立
黑體輻射
光電效應
氫原子光譜
1.經典物理學無法解釋的現象：黑體輻射、光電效應、氫原子光譜等。
普朗克黑體輻射理論：ε=hν
愛因斯坦光電效應理論：EK=hv-w0
康普頓散射理論：
玻爾氫原子理論：hv=En-Em
德布羅意物質波假說：
普朗克常量：h
在它們的背后，應該存在著統一描述微觀世界行為的普遍性規律。
2.新理論的成功
普朗克黑體輻射理論
愛因斯坦光電效應理論
德布羅意物質波假說
康普頓散射理論
玻爾氫原子理論
普朗克常量h
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。
1925年，德國物理學家海森堡和玻恩等人建立了矩陣力學。
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。
波動力學
海森堡
1901-1976
德國
玻恩
1882-1970
德國
薛定諤
1887-1961
奧地利
1926年，薛定諤和美國物理學家埃卡特很快又證明
波動力學
矩陣力學
=
數學上
同一種理論的兩種表達方式
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（ quantum mechanics）。
意義
量子力學的創立是物理學歷史上的一次重要革命.它和相對論共同構成了20世紀以來物理學的基礎.
量子力學的應用
2)量子力學推動了原子、分子物理和光學的發展.
1)量子力學推動了核物理和粒子物理的發展.
3)量子力學推動了固體物理的發展.
正確教育
量子力學的應用
推動了核物理和粒子物理的發展
核能釋放
天文宇宙的研究
光纖通信
光纖通信技術（optical fiber communications）從光通信中脫穎而出，已成為現代通信的主要支柱之一，在現代電信網中起著舉足輕重的作用.光纖通信作為一門新興技術，其近年來發展速度之快、應用面之廣是通信史上罕見的，也是世界新技術革命的重要標志和未來信息社會中各種信息的主要傳送工具.
集成電路
集成電路（integrated circuit）是一種微型
電子器件或部件.采用一定的工藝，把一
個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電
感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步.它在電路中用字母“IC”表示.集成電路發明者為杰克·基爾比（基于鍺（Ge）的集成電路）和羅伯特·諾伊思（基于硅（Si）的集成電路）.當今半導體工業大多數應用的是基于硅的集成電路.
量子力學的應用還有很多。毫不夸張地說，在過去的近一百年中，量子力學極大地推動了人類的進步。“一步一重天，百步上云端”，人類探索自然的步伐不會停息，量子力學必將在這個征途上繼續發揮巨大的基礎性作用。
1931年
1938年
1942年
1948年
1949年
1960年
1962年
90年代
電子顯微鏡
核磁共振
核反應堆
晶體管
原子鐘
激光
發光二極管
信息存儲技術
2.2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉團隊研發出76個光子的量子計算原型機“九章”。據說，“九章”求解高斯玻色取樣的數學難題只需要200秒，而當今世界最快的超級計算機“富岳”解決同樣的問題，需要6億年。這一突破使我國成為全球第二個實現“量子優越性”的國家。下列描述與“量子計算機”的原理相符的是( )
A.人們認識了原子的結構，以及原子、分子和電磁場相互作用的方式
B.根據量子力學，人們發展了各式各樣的對原子和電磁場進行精確操控和測量的技術
C.利用固體的微觀結構對電路進行操控，速度和可靠性都遠勝過去的電子管，而體積則小得多
D.人們認識了原子、原子核、基本粒子等各個微觀層次的物質結構
經典例題
C
答案：C
解析：科學家們利用半導體的獨特性質發明了晶體管等各類固態電子器件，并結合激光光刻技術制造了大規模集成電路，俗稱“芯片”。這些器件利用固體的微觀結構對電路進行操控，速度和可靠性都遠勝過去的電子管，而體積則小得多。靠它們，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備，C項正確。
一、粒子的波動性
實物粒子既具有粒子性，也具有波動性這種波叫做物質波，二者通過h來聯系。
二、物質波的實驗驗證
觀測電子、質子等實物粒子干涉和衍射的圖樣
三、量子力學的建立
四、量子力學的應用
(多選)以下說法正確的是(　　)
A．宏觀粒子也具有波動性
B．抖動細繩一端，繩上的波就是物質波
C．物質波也是一種概率波
D．物質波就是光波
AC
答案：AC
解析：任何物體都具有波動性，故A正確；對宏觀物體而言，其波動性難以觀測，我們所看到的繩波是機械波，不是物質波，故B錯誤；物質波與光波一樣，也是一種概率波，即粒子在各點出現的概率遵循波動規律，但物質波不是光波，故C正確，D錯誤．
下列說法正確的是(　　)
A．物質波屬于機械波
B．只有像電子、質子、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、質子，大到行星、太陽都具有一種波和它對應，這種波叫作物質波
D．宏觀物體運動時，看不到它的衍射或干涉現象，所以宏觀物體運動時不具有波動性
C
答案：C
解析：物質波是一切運動著的物體所具有的波，與機械波性質不同，宏觀物體也具有波動性，只是干涉、衍射現象不明顯，故選項C正確．
(多選)下列關于量子力學的發展史及應用的說法中，正確的是( 　　)
A．量子力學完全否定了經典力學
B．量子力學是在早期量子論的基礎上創立的
C．量子力學使人們深入認識了微觀世界的組成、結構和屬性
D．晶體管“芯片”等器件利用固體的微觀結構對電路進行操控，是量子力學在固體物理中的應用
BCD
答案：BCD
解析：量子力學沒有完全否定經典力學，兩者適用于不同的領域，A錯誤；量子力學是在早期量子論的基礎上創立的，B正確；借助量子力學，人們深入認識了微觀世界的組成、結構和屬性，C正確；量子力學推動了固體物理的發展，利用固體的微觀結構可以對電路進行操控，D正確．
(多選)關于物質波，下列說法正確的是(　 　)
A．電子衍射圖樣證明了物質波的正確性
B．粒子的動量越大，其波動性越易觀察
C．粒子的動量越小，其波動性越易觀察
D．電子衍射圖樣中電子束物質波的波長與金屬晶格大小可以比擬
ACD
答案：ACD
解析：衍射現象是波的特性，所以電子衍射圖樣可證明物質波是正確的，故A正確；由 知，p越大，λ 越小，不易發生衍射現象，故C正確，B錯誤；發生明顯衍射的條件是波長與障礙物尺寸相差不多或比障礙物大，故D正確．
(多選)關于量子力學的說法正確的是(　　)
A．不論是對宏觀物體，還是對微觀物體，量子力學都是適用的
B．量子力學完全否定了普朗克黑體輻射理論、玻爾氫原子理論等早期量子論
C．玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜的規律，為量子力學的建立奠定了基礎
D．激光技術的發展是量子力學的應用在實際生活中的體現
CD
答案：CD
解析：量子力學不適用于宏觀物體，A錯誤；普朗克通過研究黑體輻射提出能量子的概念，成為量子力學的奠基人之一，玻爾原子理論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，成功解釋了氫原子光譜的規律，B錯誤，C正確；激光技術的發展是量子力學的應用在實際生活中的體現，D正確．
謝謝觀看

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