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(共28张PPT)
5. 粒子的波动性和量子力学的建立
第四单元 原子结构和波粒二象性
1物理观念：
知道实物粒子的波动性假设和实验验证。
2科学思维：
知道实物粒子和光一样也具有波粒二象性。
3科学探究：
体会量子力学的建立对人们认识物质世界的影响。
4科学态度与责任：
具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，能主动与他人合作，尊重他人，能基于证据和逻辑发表自己的见解，实事求是有将物理知识应用于生活和生产实践的意识，勇于探索日常生活有关的物理问题。
核 心 素 养
一、问题引入
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？
知识点一、粒子的波动性
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.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。
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是粒子性和波动性的桥梁
5.波粒二象性
知识点二、物质波的实验验证
波的行为特性
波的干涉
波的衍射
找到电子、质子等实物粒子的干涉图样和衍射图样
物质波的验证方法：
屏 P
多晶薄膜
高压
栅极
阴极
电子束衍射实验
电子衍射图样
实验验证——①衍射图样
1927年C.J.戴维森和 G.P.汤姆孙（J.J.汤姆孙之子）分别利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。
单缝衍射
双缝衍射
三缝衍射
四缝衍射
电子衍射实验
大量电子的一次行为
实验验证——②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。
电子双缝实验
德布罗意提出物质波的观念被证实，表明实物粒子也具有波粒二象性。
0.1nm
在伦琴射线（X射线）发现后的十多年间，这种射线到底是不是波长很的电磁波，尚无定论。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。
射线
X射线衍射图样
若电子具有波动性的理论成立，电子打在晶体上也应能观察到衍射现象。
食盐的晶体结构
知识点三、量子力学的建立
情境探究
如图甲，质子束被加速到接近光速；如图乙，中子星是质量、密度非常大的星体。请思考：
(1)经典力学是否适用于质子束的运动规律 如何研究质子束的运动规律
(2)经典力学是否适用于中子星表面的物理规律 如何研究中子星表面的物理规律
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
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。
普朗克常量h
1. 推动核物理和粒子物理的发展
使我们认识了微观层次的物质结构
促进天文学和宇宙学的研究
惊奇地发现，最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系！！！
量子力学
促进粒子物理学的发展
知识点四、量子力学的应用
“这是人们第一次利用太阳以外的能量。”
量子力学
推动核物理发展
让人们成功地认识并利用了原子核反应堆所释放的能量——核能。
知识点四、量子力学的应用
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，如激光、核磁共振、原子钟等等。
以激光为载体的光纤网络使我们实现了即时通信
2. 推动原子、分子物理和光学的发展
核磁共振技术被用于医学诊断
激光技术
使我们获得了纯净可控的光源
知识点四、量子力学的应用
了解了固体中电子运行的规律，并弄清了为什么固体有导体、绝缘体和半导体之分。
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。
集成电路
3. 推动固体物理的发展
晶体管
“芯片”
结合激光光刻技术
体积小且功能强大的电子计算机
智能手机
知识点四、量子力学的应用
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
知识点四、量子力学的应用
典例精析
典例1．
下列说法中正确的是
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的物体，小到电子、质子、中子，大到行
星、太阳都有一种波与之相对应，这种波叫物质波
D.宏观物体运动时，看不到它的衍射和干涉现象，所以宏观物体运动时
不具有波动性
√
典例2．
典例精析
关于物质波，下列说法正确的是
A.速度相等的电子和质子，电子的波长长
B.动能相等的电子和质子，电子的波长短
C.动量相等的电子和中子，中子的波长短
D.如果甲、乙两电子的速度远小于光速，甲电子的速度是乙电子的3倍，
则甲电子的波长也是乙电子的3倍
√
典例3．
典例精析
如图所示，碳60是由60个碳原子组成的足球状分子，科研人员把一束碳60分子以2.0×102 m/s的速度射向光栅，结果在后面的屏上观察到条纹。已知一个碳原子质量为1.99×10－26 kg，普朗克常量为6.63×10－34 J·s，则该碳60分子的物质波波长约
A.1.7×10－10 m B.3.6×10－11 m
C.2.8×10－12 m D.1.9×10－18 m
√
典例4．
典例精析
(多选)1927年戴维森和革末完成了电子衍射实验，该实验是荣获诺贝尔奖的近代重大物理实验之一，如图所示是该实验装置的简化图，下列说法正确的是
A.亮条纹是电子到达概率大的地方
B.该实验说明物质波理论是正确的
C.该实验再次说明光子具有波动性
D.该实验说明实物粒子具有波动性
√
√
√
典例5．
典例精析
利用金属晶格(大小约10－10 m)作为障碍物观察电子的衍射图样，方法是让电子束通过电场加速后，照射到金属晶格上，从而得到电子的衍射图样。已知电子质量为m，电荷量为e，初速度为0，加速电压为U，普朗克常量为h，则下列说法中正确的是
A.该实验说明了电子具有粒子性
B.实验中电子束的德布罗意波长为
C.加速电压U越大，电子的衍射现象越明显
D.若用相同动能的质子替代电子，衍射现象将更加明显
√
当堂练习
1.(多选)关于物质波，下列说法中正确的是
A.实物粒子与光子一样都具有波粒二象性，所以实物粒子与光子是相同
本质的物质
B.电子的衍射实验证实了物质波的假设是正确的
C.粒子的动量越小，其波动性越易观察
D.粒子的动量越大，其波动性越易观察
√
√
当堂练习
2.1924年德布罗意提出实物粒子(例如电子)也具有波动性。以下不能支持这一观点的物理事实是
A.利用晶体可以观测到电子束的衍射图样
B.电子束通过双缝后可以形成干涉图样
C.用紫外线照射某金属板时有电子逸出
D.电子显微镜因减小衍射现象的影响而具有更高的分辨本领
√
当堂练习
3.如果下列四种粒子具有相同的速率，则德布罗意波长最小的是
A.α粒子 B.β粒子
C.中子 D.质子
√
当堂练习
4.法国物理学家德布罗意认为，任何一个运动着的物体，小到电子、质
子，大到行星、太阳，都有一种波与它对应，波长 ，人们把这种波
称为物质波，也叫德布罗意波。如果有两个电子的速度分别为v1和v2，且v1＝2v2，则这两个电子对应的德布罗意波长关系为
A.λ1∶λ2＝1∶2 B.λ1∶λ2＝4∶1
C.λ1∶λ2＝2∶1 D.λ1∶λ2＝1∶4
√
课堂小结
一、粒子的波动性
德布罗意波：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ν和波长λ之间，遵从如下关系：
二、经典波动与德布罗意波(物质波)的区别
经典的波动(如机械波、电磁波等)：可以测出的、实际存在于空间的一种波动。
而德布罗意波(物质波)：一种概率波。是为了描述微观粒 子的波动性而引入的一种方法。

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