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第二節 實物粒子的波粒二象性
教學課件
Teaching Courseware
20XX.XX.XX
第六章 波粒二象性
高中物理魯科版（2019）選擇性必修第三冊
PART.1
PART.2
PART.3
PART.4
素養目標
新課講解
新課導入
經典例題
目錄
CONTENTS
PART.2
PART.4
課堂練習
課堂小結
1.知道實物粒子具有波動性, 知道粒子的能量E與相應波的頻率ν之間的關系，知道粒子的動量p與相應波長λ之間的關系。
2.初步了解不確定性關系。
素養目標
新課講解
New lesson explanation
新課講解
一、德布羅意假說
電磁波
光 子
光的波動性
光的粒子性
波長
頻率
波速
動質量
能量
動量
波的干涉
波的衍射
橫波偏振
波動參量
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
康普頓效應
光具有波粒二象性。
實物粒子是否也會同時具有波動性呢？
新課講解
粒子的能量E與相應的波的頻率v之間的關系為
粒子的動量p與相應波長λ之間的關系為
德布羅意
德布羅意提出假設：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系。
這種與實物粒子相聯系的波稱為德布羅意波，也叫物質波。
粒子性
波動性
普朗克常量h架起了粒子性與波動性之間的橋梁。
實物粒子具有波粒二象性
λ＝
ν＝
新課講解
二、德布羅意假說的實驗探索
1. 實驗思路
找到電子、質子等實物粒子干涉和衍射的圖樣
物質波驗證方法：
波的干涉
波的衍射
波的行為特性
單縫寬 0.8mm
單縫寬 0.4mm
新課講解
2. 實驗材料
比如：電子的質量m=9.1×10-31 kg，用200 V的加速電壓給他加速能量就是200 eV。此時它的波長是多少呢？
與X射線的波形長相當
食鹽晶體結構
0.1 nm
新課講解
戴維孫
革末
3. 實驗驗證——衍射圖樣
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，得到了電子的衍射圖樣，證實了電子的波動性。
新課講解
從燈絲K射出的電子經加速電壓U加速后，通過狹縫D成為很細的平行電子束，射到單晶體M上，用與探測器B相連的電流計G測量反射的電流。實驗時保持θ角不變，研究加速電壓U和反射電流I之間的關系。
實驗方法
實驗結果
電流I不隨電壓U的增大而單調增大或減小，呈現出的規律與X射線在晶體上反射產生的衍射規律相似。
實驗結論
表明電子具有波動性。
新課講解
1927年，湯姆孫用實驗證明，電子在穿過金屬片后像X射線一樣產生衍射現象，也證實了電子的波動性。
湯姆孫
（G．Thomson，1892-1975）
戴維孫和湯姆孫分別獨立證實了電子的波動性，并因此共同獲得了諾貝爾物理學獎。
將電子束經上萬伏高壓加速，使其能量為10～40keV，電子可穿過固體薄箔，直接產生衍射圖樣（圖6-15）。
新課講解
1960年，約恩孫直接做了電子雙縫干涉實驗，從屏上攝得了類似楊氏雙縫干涉圖樣的照片（圖6-16）。
這些實驗結果都證明了電子具有波動性。
新課講解
4. 粒子波動性的作用
掃描隧道顯微鏡（STM）以一根非常細小的針尖和被研究物質的表面為兩個導體，形成兩個電極。當針尖與樣品表面非常接近（一般小于1nm）時，由于電子存在波動性，電子就會穿過兩個電極之間的絕緣層流向另一極，這種電流稱為隧道電流。隧道電流的大小與針尖到樣品表面的距離密切相關。測量時讓針尖在樣品表面掃描，控制隧道電流不變，針尖隨樣品表面高低起伏。針尖的三維運動信號可通過計算機系統在屏幕上直接顯示，或者在記錄紙上打印下來，獲得樣品表面的三維立體信息。
在低溫下，利用STM可對原子進行直接操縱和排布；在常溫下，也可對單個原子進行拾取和填充，實現了按人類意愿重新排布單個原子的夢想。
新課講解
三、不確定關系
海森堡
（W．Heisenberg，1901-1976）
在宏觀世界中，一個物體的位置和動量是可以同時確定的。但在微觀世界中，粒子的位置和動量不能同時確定。
德國物理學家海森堡研究發現，這種不確定性存在如下關系：
這個關系通常稱為不確定性關系，也稱為海森堡不確定性關系。
式中,Δx為位置的不確定范圍,Δp為動量的不確定范圍,h為普朗克常量。
新課講解
不確定性關系表明:
不能同時精確確定一個微觀粒子的位置和動量，位置不確定范圍與動量不確定范圍的乘積大于或等于 也就是說，我們不可能同時準確地知道粒子的位置和動量。
不確定性關系也適用于宏觀物體。對于宏觀尺度的物體,其質量m通常不隨速度v變化(因為一般情況下,v遠小于c),即Δp=mΔv,所以ΔxΔv≥。
由于m遠大于h,因此Δx和Δv可以同時達到相當小的地步,遠遠超出最精良儀器的精度,完全可以忽略。可見,不確定現象僅在微觀世界方可觀測到。
新課講解
能量和時間的不確定性關系
有不確定性關系的另一對物理量是能量和時間，能量E和時間t的不確定性關系為：
原子物理中，電子的能級實際上不是單一的能量值，能量有分布范圍。電子停留在同一能級上的時間是不同的，有的停留時間短，有的停留時間長。根據能量和時間的不確定性關系，能量不確定范圍越小的能級，電子停留的時間越長。
經典例題
Classic Example
經典例題
1.如圖所示,電子在電場或磁場中運動的初速度v有下列四種情況,則電子的德布羅意波波長變小的是
√
經典例題
2.如圖所示,碳60是由60個碳原子組成的足球狀分子,科研人員把一束碳60分子以2.0×102 m/s的速度射向光柵,結果在后面的屏上觀察到條紋。已知一個碳原子質量為1.99×10-26 kg,普朗克常量為6.63×10-34 J·s,則該碳60分子的物質波波長約
A.1.7×10-10 m
B.3.6×10-11 m
C.2.8×10-12 m
D.1.9×10-18 m
√
經典例題
3.讓電子束通過電場加速后,照射到金屬晶格(大小約為10-10 m)上,可得到電子的衍射圖樣,如圖所示。下列說法正確的是
A.電子衍射圖樣說明了電子具有粒子性
B.加速電壓越大,電子的物質波波長越短
C.增大晶格尺寸,更容易發生衍射
D.動量相等的質子和電子,通過相同的晶格,質子更容易衍射
√
課堂練習
Classroom Practice
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂練習
課堂小結
Class Summary
課堂小結
實物粒子的波粒二象性
目標一
德布羅意假說
目標二　
對德布羅意假說的實驗探索
目標三
不確定關系
1．德布羅意波
2.公式：
1．實驗思路：實物粒子也應該發生干涉或衍射現象
2．實驗材料：以200eV的電子為例，觀察電子衍射
3．實驗驗證：視頻材料
1.內容：微觀粒子的 位置x和動量p不能同時確定
2.公式：ΔxΔp≥
4．粒子波動性的作用：提高顯微鏡的精度
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