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第四章 第4节
粒子的波动性和
量子力学的建立
选择性必修 第三册
新课导入
思考与讨论:
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？
新课教学
1924年，法国物理学家德布罗意在对光的波粒二象性、玻尔氢原子理论以及相对论的深入研究的基础上，把波粒二象性推广到实物粒子，如电子、质子等。
他提出假设：实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。
1、粒子的波动性
德布罗意，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。
德布罗意提出假设:实物粒子也具有波动性，即每一个运动的粒子都与一个对应的波相联系。粒子的能量ε和动量p跟它所对应的波的频率v和波长λ之间，遵从如下关系：
这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波，也叫物质波。其波长 称为德布罗意波长。
1、粒子的波动性
普朗克常量h架起了粒子性与波动性之间的桥梁。
波动性
粒子性
新课教学
一质量为m =1×10-2kg，速度υ = 3.0 102m/s飞行的子弹，对应的德布罗意波长为：
电子m=9.1 10-31kg，由静止经100V电压加速， 对应的德布罗意波长为：
太小，无法观测到波动性
可能观察到电子的波动性
新课教学
新课教学
2、物质波的验证实验
波的干涉
波的衍射
单缝宽 0.8mm
单缝宽 0.4mm
如果电子、质子等实物粒子也真具有波动性，那么它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。
2、物质波的验证实验
新课教学
0.1nm
射线
X射线衍射图样
1912年，德国物理学家劳厄提议，利用晶中体排列规则的物质微粒作为衍射光栅，来检验伦琴射线的波动性。实验获得了成功，证实伦琴射线就是波长为十分之几纳米的电磁波。
若电子具有波动性的理论成立，那么电子打在晶体上应也能观察到衍射现象。
2、物质波的验证实验
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屏 P
多晶薄膜
高压
栅极
阴极
电子衍射实验
电子束穿过铝箔后的衍射
X射线衍射
1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）利用电子束穿过晶体做了电子束的衍射实验。因此，共同获1937年诺贝尔物理学奖。
汤姆孙
戴维孙
实物粒子的衍射
新课教学
2、物质波的验证实验
实物粒子的干射
大量电子的一次行为
1961年琼森（Claus J nsson）将一束电子加速到 50 Kev，让其通过一缝宽为 a = 0.5 10-6 m，间隔为
d = 2.0 10-6 m 的双缝，当电子撞击荧光屏时，发现了类似于双缝衍射实验结果。
新课教学
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，并都满足德布洛意关系。
由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长
2、物质波的验证实验
新课教学
3、量子力学的建立
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。
新课教学
3、量子力学的建立
ε=hν
EK=hv-w0
hv=En-Em
普朗克常量都扮演了关键性的角色。
新课教学
3、量子力学的建立
海森堡
玻恩
薛定谔
狄拉克
泡利
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。
3、量子力学的建立
新课教学
波动力学
1925年，德国物理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。
3、量子力学的建立
1938年
新课教学
核磁共振
1942年
量子力学推动的若干重要技术的诞生年份
核反应堆
1948年
晶体管
1931年
电子显微镜
3、量子力学的建立
1949年
原子钟
1960年
量子力学推动的若干重要技术的诞生年份
激光
1962年
发光二极管
新课教学
1962年
基于巨磁阻效应的高性能信息存储技术
4、量子力学的应用
新课教学
中国第四代核反应堆
核磁共振
铯原子钟
集成电路
量子力学推动了核物理、粒子物理、原子、分子物理、光学、固体物理的发展
知识拓展
1927 年第五届索尔维会议参加者合影
量子力学和相对论的创立，是20世纪物理学的两个主要进展，给人类的科学、技术和社会形态带来了极其深刻的影响。相对论的创立，主要是爱因斯坦的贡献，而量子力学的创立则曲折得多，是普朗克、爱因斯坦、玻尔、海森堡、玻恩、薛定谔、狄拉克等一大批杰出物理学家历时30年左右（自1900年普朗克提出能量量子化到1920年代末期量子力学框架基本成型）共同努力的结果。
习题练习
(1)光的干涉、洐射、偏振现象说明光具有波动性。 (　　)
(2)光子数量越大，其粒子性越明显。 ( 　　)
(3)光具有粒子性，但光子又不同于宏观观念的粒子。 (　　)
(4)一切宏观物体都具有波动性，即物质波。 (　　)
(5)湖面上的水波就是物质波。 (　　)
(6)电子的衍射现象证实了实物粒子具有波动性。 (　　)
√　
×　
√　
√　
×　
√　
【例题】(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
ABC
习题练习
习题练习
【例题】用很弱的电子束做双缝干涉实验，把入射电子束减弱到可以认为电子源和感光胶片之间不可能同时有两个电子存在，如图所示为不同数量的电子照射到感光胶片上得到的照片。这些照片说明(　　)
A．电子只有粒子性没有波动性
B．少量电子的运动显示粒子性，大量电子的运动显示波动性
C．电子只有波动性没有粒子性
D．少量电子的运动显示波动性，大量电子的运动显示粒子性
B

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