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第四章 原子結(jié)構(gòu)和波粒二象性
第5節(jié) 粒子的波動(dòng)性和量 子力學(xué)的建立
02
主題二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
01
主題一、粒子的波動(dòng)性
目錄
CONTENTS
03
主題三、概率波
第5節(jié) 粒子的波動(dòng)性和量子力學(xué)的建立
04
主題四、量子力學(xué)的建立
光的衍射干涉充分說(shuō)明光是一種波
光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)又說(shuō)明光是一種粒子
現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為光既是波又是粒子，
光具有波粒二象性
E=hv
原來(lái)認(rèn)為是波的結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有粒子性
那原來(lái)認(rèn)為是粒子的會(huì)不會(huì)有波動(dòng)性呢？
新課引入：光是什么？
他認(rèn)為：“整個(gè)世紀(jì)以來(lái)（指19世紀(jì)）在光學(xué)中比起波動(dòng)的研究方法來(lái)，如果說(shuō)是過(guò)于忽視了粒子的研究方法的話，那末在實(shí)物的理論中，是否發(fā)生了相反的錯(cuò)誤呢？是不是我們把粒子的圖象想得太多，而過(guò)分忽略了波的圖象呢”。我們之前認(rèn)為的粒子如質(zhì)子、電子等，會(huì)不會(huì)也是一種波呢？
德布羅意(1892-1987)法國(guó)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
1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士論文《關(guān)于量子理論的研究》中提出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。
愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)一幅大幕的一角”。
新課引入：光是什么？
第一部分
粒子的波動(dòng)性
一切實(shí)物粒子都具有波動(dòng)性 ,又叫物質(zhì)波
1.德布羅意波：
一、 粒子的波動(dòng)性：
2.德布羅意波長(zhǎng):
波長(zhǎng)λ 越長(zhǎng)，動(dòng)量P 越小——波動(dòng)性強(qiáng)，粒子性弱
波長(zhǎng)λ 越短，動(dòng)量P 越大——波動(dòng)性弱，粒子性強(qiáng)
第二部分
物質(zhì)波的
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1.戴維遜－革末實(shí)驗(yàn)
1927年，Davisson和Germer 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。電子束垂直入射到鎳單晶的水平面上，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電子束強(qiáng)度并不隨加速電壓而單調(diào)變化，而是出現(xiàn)一系列峰值,在θ=50°散射方向上探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度極大值。
探測(cè)器
電子束
電子槍
鎳單晶
二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
1927年英國(guó)的湯姆遜（George Paget Thomson，1892～1975）通過(guò)電子在多晶膜上的透射得到了環(huán)狀的電子衍射圖象。它與光的圓孔衍射圖象極為相似 ,人們還進(jìn)一步觀測(cè)到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。
2. G.P.湯姆遜的電子衍射實(shí)驗(yàn)
二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
戴維遜(1881-1958)美國(guó)物理學(xué)家，主要成就:電子衍射的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)者之一。
1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者
G.P.湯姆生(1892~
1975)英國(guó)物理學(xué)家。
主要成就：晶體對(duì)電子衍射的發(fā)現(xiàn)者。
德布羅意(1892-1987)法國(guó)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
二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明原子、分子、中子等微觀粒子也具有波動(dòng)性。
德布羅意公式成為揭示微觀粒子波粒二象性的統(tǒng)一性的基本公式，
二、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
【典例1】試估算一個(gè)中學(xué)生在跑百米時(shí)的德布羅意波的波長(zhǎng)。
解：估計(jì)一個(gè)中學(xué)生的質(zhì)量m≈50kg ，百米跑v≈7m/s ，
由計(jì)算結(jié)果看出，宏觀物體的物質(zhì)波波長(zhǎng)非常小，所以很難表現(xiàn)出其波動(dòng)性。
典例分析
λ=
=
=1.9×10-36m
【典例2】 已知電子的動(dòng)量P=5.4×10-24kg.m.s-1；子彈動(dòng)量p=6.63×106kg.m.s-1；h= 6.63×10-34J·S，分別求它們的的布羅意波長(zhǎng)？
解 電子:
=1.23×10-10m
子彈:
=1.0×10-40m
可見(jiàn)，只有微觀粒子的波動(dòng)性較顯著；而宏觀粒子(如子彈)的波動(dòng)性根本測(cè)不出來(lái)。
典例分析
λ=
λ=
人類對(duì)于光的認(rèn)識(shí)歷程
粒子說(shuō)難以解釋
波動(dòng)說(shuō)難以解釋
思考：但物體怎么可能既是粒子又是波呢
任何物體都具有波粒二象性
3000
20000
70000
于是人們讓電子一個(gè)一個(gè)依次入射雙縫看看它是如何干涉？
思考：但物體怎么可能既是粒子又是波呢
為此：1926年德國(guó)物理學(xué)家波恩指出：電子落在明處的概率大，落在暗處的概率小，從而形成像波那樣明暗相間的條紋.
電子在空間出現(xiàn)的概率可以通過(guò)波動(dòng)的規(guī)律確定，所以物質(zhì)波是一種概率波.
玻恩(1882--1970) 德國(guó)物理學(xué)家,1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
由光子構(gòu)成的電磁波也是一種概率波。它與機(jī)械波由本質(zhì)的區(qū)別。
思考：但物體怎么可能既是粒子又是波呢
第三部分
概率波
單個(gè)粒子--位置不確定
大量粒子--確定的宏觀結(jié)果(如干涉條紋)
三、概率波
1.定義:
2.特點(diǎn):
與概率有關(guān)的波。電磁波、物質(zhì)波都是概率波
這是個(gè)十分令人不解的問(wèn)題啊？難道電子知道我們?cè)谟^察它，不觀察是一種情況，觀察就是另一種情況？
奇怪的事情發(fā)生了,,,,,干涉條紋消失了，只剩下兩個(gè)條紋
每次只有一個(gè)電子通過(guò)雙縫，電子和誰(shuí)干涉呢？因此人們?cè)陔p縫前加了一個(gè)觀察裝置，看看它究竟通過(guò)了哪個(gè)縫
單個(gè)粒子--位置不確定
大量粒子--確定的宏觀結(jié)果(如干涉條紋)
三、概率波
1.定義:
2.特點(diǎn):
與概率有關(guān)的波。電磁波、物質(zhì)波都是概率波
1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出了不確定性原理：即粒子的位置和動(dòng)量不能被同時(shí)精確測(cè)量。你一觀察，就確定了電子的位置了，它的動(dòng)量就變得不可測(cè)量，波函數(shù)就崩塌了，從而就變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)物粒子了。
單個(gè)粒子--位置不確定
大量粒子--確定的宏觀結(jié)果(如干涉條紋)
三、概率波
1.定義:
2.特點(diǎn):
與概率有關(guān)的波。電磁波、物質(zhì)波都是概率波
3.不確定關(guān)系:
Δx·Δp≥
在微觀物理學(xué)中，要同時(shí)測(cè)出微觀粒子的位置和動(dòng)量是不太可能的。
微觀粒子的位置和動(dòng)量是無(wú)法被同時(shí)確定的，
所以不能用軌跡來(lái)描述，
只能用概率波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性描述。
由此人們建立了專門描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門科學(xué)----量子力學(xué)
三、概率波
第四部分
量子力學(xué)的建立
四、量子力學(xué)的建立
黑體輻射
光電效應(yīng)
散射
氫原子
物質(zhì)波
量子力學(xué)
1.初期：普朗克__________理論、愛(ài)因斯坦__________理論、康普頓______理論、玻爾________理論以及德布羅意________假說(shuō)等一系列理論在解釋實(shí)驗(yàn)方面都取得了成功。
黑體輻射
光電效應(yīng)
散射
氫原子
物質(zhì)波
2.發(fā)展：1925年，德國(guó)物理家海森堡和玻恩等人對(duì)玻爾的氫原子理論進(jìn)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(xué)。1926年，德國(guó)物理學(xué)家波恩提出概率波的概念。解釋了物質(zhì)波的本質(zhì)。1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出了不確定性原理：即粒子的位置和動(dòng)量不能被同時(shí)精確測(cè)量。波爾、波恩、海森堡、泡利、狄拉克等被稱作量子力學(xué)的根本哈根學(xué)派。它們對(duì)量子力學(xué)的解釋被稱作“正統(tǒng)解釋 ”。
四、量子力學(xué)的建立
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。把這個(gè)方程應(yīng)用于氫原子,就很容易能得到氫原子光譜的公式。由于這個(gè)理論的關(guān)鍵是物質(zhì)波,因此被稱為波動(dòng)力學(xué)。但是不受根本哈根學(xué)派認(rèn)可。
同年，薛定諤和美國(guó)物理學(xué)家埃卡特又很快證明,波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的,它們是同一種理論的兩種表達(dá)方式。
薛定諤對(duì)根本哈根提出的觀察導(dǎo)致波坍塌的概念也是非常不屑和不認(rèn)可，由此提出了著名的“薛定諤的貓”的梗來(lái)諷刺根本哈根學(xué)派。
“薛定諤的貓”：在一個(gè)盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。在一小時(shí)內(nèi)，大約有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，剩下50%的概率是放射性物質(zhì)不會(huì)衰變而貓將活下來(lái) 。
“薛定諤的貓”
因此產(chǎn)生了一個(gè)諺語(yǔ)：好奇害死貓
按哥本哈根派說(shuō)：沒(méi)有測(cè)量之前，放射性物質(zhì)處于衰變或者不衰變的各種可能狀態(tài)，但是你一觀察，那么放射性物質(zhì)便會(huì)隨機(jī)選擇一種狀態(tài)呈現(xiàn)在你面前，
也就是說(shuō)在你沒(méi)觀察前，貓?zhí)幱谝环N不生
不死的疊加態(tài)，但是你一觀察，結(jié)果決定
了貓的生死。不生不死？根本哈根的惡趣
味？
四、量子力學(xué)的建立
四、量子力學(xué)的建立
人們認(rèn)識(shí)了原子、原子核、基本粒子等各個(gè)微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。而粒子物理學(xué)的發(fā)展又促進(jìn)了天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究。
最微觀層次和最宏觀層次的規(guī)律，竟有著緊密的聯(lián)系。核物理的發(fā)展，還讓人們成功地認(rèn)識(shí)并利用了原子核反應(yīng)堆所釋放的能量——核能。
3.應(yīng)用:
(1)量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。
四、量子力學(xué)的建立
3.應(yīng)用:
(1)量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。
(2)量子力學(xué)推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。
發(fā)展了各式各樣的對(duì)原子和電磁場(chǎng)進(jìn)行精確操控的技術(shù)。
激光技術(shù)
核磁共振
原子鐘
(3)量子力學(xué)推動(dòng)了固體物理的發(fā)展。
四、量子力學(xué)的建立
3.應(yīng)用:
(1)量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。
(2)量子力學(xué)推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。
人們了解了固體中電子運(yùn)行的規(guī)律，并
弄清了為什么固體有導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體
之分。科學(xué)家們利用半導(dǎo)體的獨(dú)特性質(zhì)發(fā)明
了晶體管等各類固態(tài)電子器件，并結(jié)合激光
光刻技術(shù)制造了大規(guī)模集成電路，俗稱“芯片”。
固體物理學(xué)的發(fā)展，還為人們帶來(lái)了低能耗高亮度的半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)，并讓人們認(rèn)識(shí)了超導(dǎo)等一系列神奇的現(xiàn)象。
(3)量子力學(xué)推動(dòng)了固體物理的發(fā)展。
四、量子力學(xué)的建立
3.應(yīng)用:
(1)量子力學(xué)推動(dòng)了核物理和粒子物理的發(fā)展。
(2)量子力學(xué)推動(dòng)了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。
量子力學(xué)的應(yīng)用還有很多。毫不夸張地說(shuō)，在過(guò)去的近一百年中，量子力學(xué)極大地推動(dòng)了人類的進(jìn)步。“一步一重天，百步上云端”，人類探索自然的步伐不會(huì)停息，量子力學(xué)必將在這個(gè)征途上繼續(xù)發(fā)揮巨大的基礎(chǔ)性作用。
量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的比較
比較內(nèi)容 經(jīng)典力學(xué) 量子力學(xué)
粒子的特征 物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一個(gè)實(shí)體 粒子是波，波是無(wú)邊無(wú)際的
研究對(duì)象 研究對(duì)象分成幾部分，可以對(duì)每一部分進(jìn)行研究 不能把微觀體系看成是由可以分開(kāi)的幾部分組成的，因?yàn)閮蓚€(gè)粒子從波的角度來(lái)看，它們是糾纏在一起的
軌跡描述 可以同時(shí)用質(zhì)點(diǎn)的位置和動(dòng)量精確地描述它的運(yùn)動(dòng)，軌跡可以確定 不可能同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量，不能用軌跡描述運(yùn)動(dòng)
運(yùn)動(dòng)預(yù)言 如果知道了質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以預(yù)言質(zhì)點(diǎn)在以后任意時(shí)刻的位置和動(dòng)量 自然界在微觀層次上是由隨機(jī)性和機(jī)遇支配的，不能預(yù)言粒子的位置和動(dòng)量
自然界的變化 自然界的變化是連續(xù)的 自然界的變化是不連續(xù)的
課堂小結(jié)
粒子的波動(dòng)性
非4 人
物質(zhì)波的驗(yàn)證
非4 人
量子力學(xué)的建立
概率波
德布羅意(1892-1987)法國(guó)物理學(xué)家。
物質(zhì)波
戴維遜(1881
-1958)美國(guó)物理學(xué)家，主要成就:電子衍射的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)者之一。
G.P.湯姆生(1892~1975)英國(guó)物理學(xué)家。主要成就：晶體對(duì)電子衍射的發(fā)現(xiàn)者。
玻恩(1882-1970)德國(guó)物理學(xué)家,1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
概念：與概率有關(guān)的波。電磁波、物質(zhì)波都是概率波。
1.初期：普朗克黑體輻射 理論、愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)理論、康普頓散射理論、玻爾氫原子理論以及德布羅意物質(zhì)波假說(shuō)等一系列理論在解釋實(shí)驗(yàn)方面都取得了成功。
2.發(fā)展：尼爾斯*玻爾，玻恩、海森伯、泡利、狄拉克、以及海森堡等發(fā)展了量子力學(xué)，形成了一整套解釋微觀粒子運(yùn)動(dòng)匯率的量子力學(xué)理論，極大的推動(dòng)了人類的進(jìn)步。
【練習(xí)1】以下關(guān)于物質(zhì)波的說(shuō)法正確的是 (　　)
A.實(shí)物粒子具有粒子性，在任何條件下都不可能表現(xiàn)出波動(dòng)性
B.宏觀物體不存在對(duì)應(yīng)的波
C.電子在任何條件下都能表現(xiàn)出波動(dòng)性
D.微觀粒子在一定條件下能表現(xiàn)出波動(dòng)性
D
課堂練習(xí)
【練習(xí)2】在中子衍射技術(shù)中，常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闊嶂凶拥牡虏剂_意波長(zhǎng)與晶體中原子間距相近。已知中子質(zhì)量m=1.67×10-27 kg，普朗克常量h=6.63×10-34 J·s，可以估算德布羅意波長(zhǎng)λ=1.82×10-10 m的熱中子動(dòng)量的數(shù)量級(jí)為 (　　)
A.10-17 kg·m/s B.10-19 kg·m/s
C.10-21 kg·m/s D.10-24 kg·m/s
D
課堂練習(xí)
【練習(xí)3】(多選)以下說(shuō)法正確的是 (　　 )
A.1925年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡和玻恩等人建立了矩陣力學(xué)
B.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
C.薛定諤以其方程為基礎(chǔ)，建立了波動(dòng)力學(xué)，徹底否定了玻爾原子理論
D.量子力學(xué)是在普朗克、玻爾等人所建立的一個(gè)個(gè)具體理論的基礎(chǔ)上逐漸創(chuàng)立起來(lái)的
ABD
課堂練習(xí)
【練習(xí)4】下列描述與“量子計(jì)算機(jī)”的原理相符的是(　　)
A.人們認(rèn)識(shí)了原子的結(jié)構(gòu)，以及原子、分子和
電磁場(chǎng)相互作用的方式
B.根據(jù)量子力學(xué)，人們發(fā)展了各式各樣的對(duì)原
子和電磁場(chǎng)進(jìn)行精確操控和測(cè)量的技術(shù)
C.利用固體的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)電路進(jìn)行操控，速度
和可靠性都遠(yuǎn)勝過(guò)去的電子管，而體積則小得多
D.人們認(rèn)識(shí)了原子、原子核、基本粒子等各個(gè)微觀層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)
C
課堂練習(xí)
【練習(xí)5】(2024·湖南高考)量子技術(shù)是當(dāng)前物理學(xué)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)，下列關(guān)于量子論的說(shuō)法正確的是 (　　)
A.普朗克認(rèn)為黑體輻射的能量是連續(xù)的
B.光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，紅光照射可以讓電子從某金屬表面逸出，若改用紫光照射也可以讓電子從該金屬表面逸出
C.康普頓研究石墨對(duì)X射線散射時(shí)，發(fā)現(xiàn)散射后僅有波長(zhǎng)小于原波長(zhǎng)的射線成分
D.德布羅意認(rèn)為質(zhì)子具有波動(dòng)性，而電子不具有波動(dòng)性
B
課堂練習(xí)
【練習(xí)6】某病毒的尺寸約為100 nm，由于最短可見(jiàn)光波長(zhǎng)約為400 nm，所以我們無(wú)法用可見(jiàn)光捕捉該病毒的照片。科學(xué)家用電子顯微鏡，即加速電場(chǎng)中的電子，使其表現(xiàn)為波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波，終于捕捉到了該病毒的圖像。已知電子的質(zhì)量為9×10-31 kg，電子的電荷量為1.6×10-19 C，普朗克常量為6.6×10-34 J·s，不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則下列說(shuō)法正確的是 (　　)
A.電子顯微鏡的分辨率非常高，是由于電子的德布羅意波長(zhǎng)非常長(zhǎng)
B.電子顯微鏡的分辨率與加速電壓有關(guān)，加速電壓越高，則分辨率越低
C.若用相同動(dòng)能的質(zhì)子代替電子，不能“拍攝”到該病毒的3D圖像
D.德布羅意波長(zhǎng)為0.2 nm的電子，可由靜止電子通過(guò)約37.8 V的電壓加速得到
課堂練習(xí)
D
【練習(xí)7】德布羅意認(rèn)為實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，他給出了德布羅意波長(zhǎng)的表達(dá)式λ=。現(xiàn)用同樣的直流電壓加速原來(lái)靜止的一價(jià)氫離子H+和二價(jià)鎂離子Mg2+，已知?dú)潆x子與鎂離子的質(zhì)量之比為1∶24，則加速后的氫離子和鎂離子的德布羅意波長(zhǎng)之比為(　　)
A.1∶4
B.1∶4
C.4∶1
D.4∶1
課堂練習(xí)
D
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