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5. 粒子的波动性和量子力学的建立
人教版（2019）物理（选择性必修第三册）
第四章 原子结构和波粒二象性
目录
素养目标
01
课程导入
02
新课讲解
03
总结归纳
04
课堂练习
05
正确教育
素养目标
1.知道实物粒子的波动性假设和实验验证
2.知道实物粒子和光意义也具有波粒二象性
3.体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响
通过对双缝干涉、光电效应等一系列问题的研究，人们终于认识到光既有粒子性，又有波动性。我们已经认识到如电子、质子等实物粒子是具有粒子性的，那么实物粒子是否也会同时具有波动性呢？
光的波粒二象性：光既具有波动性又具有粒子性。
波长λ 越长，动量P 越小——波动性强，粒子性弱
波长λ 越短，动量P 越大——波动性弱，粒子性强
，p—粒子性
ν，λ—波动性
h—粒子性、波动性的桥梁
正确教育
粒子的波动性
德布罗意(De · Broglie)，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。1923年发表了题为“波和粒子”的论文，提出了物质波的概念。
如同光波具有粒子性一样，实物粒也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应波相联系。这种波叫做物质波，也叫德布罗意波。
德布罗意
实物粒子既具有粒子性，也具有波动性，二者通过h来联系。
1、德布罗意波：每一个运动的粒子都与对应的波长相联系，这种与实物粒子相联系的波，我们管这种波叫德布罗意波，也叫物质波.
2、物质波的波长：
3、物质波的频率：
波动性
粒子性
普朗克常量h 架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
4、大量实验都证实了：质子、中子和原子、分子等实物微观粒子都具有波动性，并都满足德布罗意关系。一切实物粒子都有波动性。
德布罗意曾预言：电子通过一个小孔或晶体时会形成衍射条纹。
正确教育
物质波的实验验证
1.实验思路
光
干涉和衍射现象
波动性
实验
结论
干涉
衍射
物质波验证方法：
找到电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样
屏 P
多晶薄膜
高压
栅极
阴极
电子衍射实验
1927年， 戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验，获得了衍射图样，证实了电子的波动性。他们因此获得了1937年的诺贝尔物理学奖。
2.实验材料
比如电子的质量m=9.1×10-31kg，用200V的加速电压给他加速能量就是200eV。此时它的波长是多少呢？
与X射线的波长相当
因此，如果电子具有波动性，就可以用观察X射线通过晶体是会发生衍射的装置观察到电子的衍射。
0.1 nm
3.实验验证——衍射图样
G.P汤姆孙
戴维森
1927年戴维森和汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了的衍射图样，从而证实了电子的波动性。
大量电子的一次行为
3. 实验验证——干涉图样
在后来的实验中，人们还进一步观测到了电子德布罗意波的干涉现象。
1、计算质量为 10-2Kg，速度为 5.0 102m/s飞行的子弹对应的德布罗意波长。
2、计算质量m为 9.1 10-31Kg，速度为 5.0 107m/s的电子对应的德布罗意波长。
太小测不到！
X 射线波段
宏观物体的波动性很小不必考虑，只考虑其粒子性。
为什么感受不到宏观物体的波动性呢？
思考
4. 物质波的应用
利用可见光工作的光学显微镜，由于衍射现象的限制，其分辨本领不能无限提高。
而现代科技中常常用到的电子显微镜，其分辨本领可以达到0.2nm甚至更小，能够看到蛋白质分子和金属的晶体结构。
电子显微镜的原理便是，电子束也是一种波，当把它加速时，其德布罗意波长比可见光的波长短的多，衍射现象的影响非常小，从而可以达到较高的分辨率。
电子显微镜下的生命
电子显微镜下的虫螨
1.关于物质波，以下观点不正确的是(　　)
A．只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波
B．只有运动着的微观粒子才有物质波，对于宏观物体，不论其是否运动，都没有相对应的物质波
C．由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性
D．电子束照射到金属晶体上得到电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的
经典例题
B
答案：B
解析：只要是运动着的物体，不论是宏观物体还是微观粒子，都有相应的波与之对应，这就是物质波，故A正确，B错误；由于宏观物体的德布罗意波长太小，所以无法观察到它们的波动性，故C正确；电子束照射到金属晶体上得到了电子束的衍射图样，从而证实了德布罗意的假设是正确的，故D正确．
正确教育
量子力学的建立
黑体辐射
光电效应
氢原子光谱
1.经典物理学无法解释的现象：黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等。
普朗克黑体辐射理论：ε=hν
爱因斯坦光电效应理论：EK=hv-w0
康普顿散射理论：
玻尔氢原子理论：hv=En-Em
德布罗意物质波假说：
普朗克常量：h
在它们的背后，应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。
2.新理论的成功
普朗克黑体辐射理论
爱因斯坦光电效应理论
德布罗意物质波假说
康普顿散射理论
玻尔氢原子理论
普朗克常量h
在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学。
1925年，德国物理学家海森堡和玻恩等人建立了矩阵力学。
1926年，奥地利物理学家薛定谔提出了物质波满足的方程——薛定谔方程。
波动力学
海森堡
1901-1976
德国
玻恩
1882-1970
德国
薛定谔
1887-1961
奥地利
1926年，薛定谔和美国物理学家埃卡特很快又证明
波动力学
矩阵力学
=
数学上
同一种理论的两种表达方式
随后数年，在以玻恩、海森堡、薛定谔以及英国的狄拉克和奥地利的泡利为代表的众多物理学家的共同努力下，描述微观世界行为的理论被逐步完善并最终完整地建立起来，它被称为量子力学（ quantum mechanics）。
意义
量子力学的创立是物理学历史上的一次重要革命.它和相对论共同构成了20世纪以来物理学的基础.
量子力学的应用
2)量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展.
1)量子力学推动了核物理和粒子物理的发展.
3)量子力学推动了固体物理的发展.
正确教育
量子力学的应用
推动了核物理和粒子物理的发展
核能释放
天文宇宙的研究
光纤通信
光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用.光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具.
集成电路
集成电路（integrated circuit）是一种微型
电子器件或部件.采用一定的工艺，把一
个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电
感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步.它在电路中用字母“IC”表示.集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅（Si）的集成电路）.当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路.
量子力学的应用还有很多。毫不夸张地说，在过去的近一百年中，量子力学极大地推动了人类的进步。“一步一重天，百步上云端”，人类探索自然的步伐不会停息，量子力学必将在这个征途上继续发挥巨大的基础性作用。
1931年
1938年
1942年
1948年
1949年
1960年
1962年
90年代
电子显微镜
核磁共振
核反应堆
晶体管
原子钟
激光
发光二极管
信息存储技术
2.2020年12月4日，中国科学技术大学宣布该校潘建伟团队研发出76个光子的量子计算原型机“九章”。据说，“九章”求解高斯玻色取样的数学难题只需要200秒，而当今世界最快的超级计算机“富岳”解决同样的问题，需要6亿年。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。下列描述与“量子计算机”的原理相符的是( )
A.人们认识了原子的结构，以及原子、分子和电磁场相互作用的方式
B.根据量子力学，人们发展了各式各样的对原子和电磁场进行精确操控和测量的技术
C.利用固体的微观结构对电路进行操控，速度和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多
D.人们认识了原子、原子核、基本粒子等各个微观层次的物质结构
经典例题
C
答案：C
解析：科学家们利用半导体的独特性质发明了晶体管等各类固态电子器件，并结合激光光刻技术制造了大规模集成电路，俗称“芯片”。这些器件利用固体的微观结构对电路进行操控，速度和可靠性都远胜过去的电子管，而体积则小得多。靠它们，人们才可以制造体积小且功能强大的电子计算机、智能手机等信息处理设备，C项正确。
一、粒子的波动性
实物粒子既具有粒子性，也具有波动性这种波叫做物质波，二者通过h来联系。
二、物质波的实验验证
观测电子、质子等实物粒子干涉和衍射的图样
三、量子力学的建立
四、量子力学的应用
(多选)以下说法正确的是(　　)
A．宏观粒子也具有波动性
B．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波
C．物质波也是一种概率波
D．物质波就是光波
AC
答案：AC
解析：任何物体都具有波动性，故A正确；对宏观物体而言，其波动性难以观测，我们所看到的绳波是机械波，不是物质波，故B错误；物质波与光波一样，也是一种概率波，即粒子在各点出现的概率遵循波动规律，但物质波不是光波，故C正确，D错误．
下列说法正确的是(　　)
A．物质波属于机械波
B．只有像电子、质子、中子这样的微观粒子才具有波动性
C．德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳都具有一种波和它对应，这种波叫作物质波
D．宏观物体运动时，看不到它的衍射或干涉现象，所以宏观物体运动时不具有波动性
C
答案：C
解析：物质波是一切运动着的物体所具有的波，与机械波性质不同，宏观物体也具有波动性，只是干涉、衍射现象不明显，故选项C正确．
(多选)下列关于量子力学的发展史及应用的说法中，正确的是( 　　)
A．量子力学完全否定了经典力学
B．量子力学是在早期量子论的基础上创立的
C．量子力学使人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性
D．晶体管“芯片”等器件利用固体的微观结构对电路进行操控，是量子力学在固体物理中的应用
BCD
答案：BCD
解析：量子力学没有完全否定经典力学，两者适用于不同的领域，A错误；量子力学是在早期量子论的基础上创立的，B正确；借助量子力学，人们深入认识了微观世界的组成、结构和属性，C正确；量子力学推动了固体物理的发展，利用固体的微观结构可以对电路进行操控，D正确．
(多选)关于物质波，下列说法正确的是(　 　)
A．电子衍射图样证明了物质波的正确性
B．粒子的动量越大，其波动性越易观察
C．粒子的动量越小，其波动性越易观察
D．电子衍射图样中电子束物质波的波长与金属晶格大小可以比拟
ACD
答案：ACD
解析：衍射现象是波的特性，所以电子衍射图样可证明物质波是正确的，故A正确；由 知，p越大，λ 越小，不易发生衍射现象，故C正确，B错误；发生明显衍射的条件是波长与障碍物尺寸相差不多或比障碍物大，故D正确．
(多选)关于量子力学的说法正确的是(　　)
A．不论是对宏观物体，还是对微观物体，量子力学都是适用的
B．量子力学完全否定了普朗克黑体辐射理论、玻尔氢原子理论等早期量子论
C．玻尔理论成功地解释了氢原子光谱的规律，为量子力学的建立奠定了基础
D．激光技术的发展是量子力学的应用在实际生活中的体现
CD
答案：CD
解析：量子力学不适用于宏观物体，A错误；普朗克通过研究黑体辐射提出能量子的概念，成为量子力学的奠基人之一，玻尔原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功解释了氢原子光谱的规律，B错误，C正确；激光技术的发展是量子力学的应用在实际生活中的体现，D正确．
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