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(共35张PPT)
4.5 粒子的波动性
和量子力学的建立
高中物理选择性必修第三册课件
主讲老师：xxx
高中物理选择性必修第三册
粒子的波动性
物质波的实验验证
量子力学的建立
量子力学的应用
问题？
00.
高中物理选择性必修第三册
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？
粒子的波动性
第一部分
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
德布罗意
01.
高中物理选择性必修第三册
1924年，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。
法国物理学家，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
物质波
02.
高中物理选择性必修第三册
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（de Broglie wave），也叫作物质波（matter wave）。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
波粒二象性
03.
高中物理选择性必修第三册
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
物质波的
实验验证
第二部分
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
实验思路
01.
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光的干涉和衍射现象是光具有波动性的有力证据。因此，如果电子、质子等实物粒子也真的具有波动性，那么，它们就应该像光波那样也能发生干涉和衍射。这是验证德布罗意波是否存在的一条途径。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
电子的波动性
02.
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1927年戴维孙和G. P. 汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射的实验，得到了类似图4.5-1的衍射图样，从而证实了电子的波动性。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。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
诺贝尔物理学奖
03.
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1929年，德布罗意因提出物质波的假说获得了诺贝尔物理学奖。之后，戴维孙和G. P. 汤姆孙因证实电子波动性获得了1937年的诺贝尔物理学奖。
汤姆孙
戴维孙
除了电子以外，后来还陆续证实了中子、质子以及原子、分子的波动性。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
宏观物体德布罗意波的波长
04.
高中物理选择性必修第三册
请估算一个的质量 m ≈ 50 kg 中学生，以速度 v ≈ 7 m/s 运动时的德布罗意波的波长。
启示：宏观物体的质量比微观粒子大得多，它们运动时的动量很大，根据 λ ＝ 可知，它们对应的德布罗意波的波长就很短。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
做一做
05.
高中物理选择性必修第三册
问题1:速度υ = 5.0 102m/s飞行的子弹，质量为m =10-2Kg，对应的德布罗意波长为多少？
问题2:电子m=9.1 10-31Kg，速度υ = 5.0 107m/s， 对应的德布罗意波长为：
所以宏观物体的波动性不必考虑，只考虑其粒子性。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
实验结论
06.
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德布罗意提出物质波的观念被实验证实，表明电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质。换句话说，它们和光一样，也具有波粒二象性。
量子力学的建立
第三部分
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
对新理论的需要
01.
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经典物理学无法解释的现象，这就表明，微观世界的物理规律和宏观世界的物理定律可能存在巨大的差别，人们需要建立描述微观世界的物理理论。
19、20世纪之交，人们在黑体辐射、光电效应、氢原子光谱等许多类问题中，都发现了经典物理学无法解释的现象。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
普朗克常量
02.
高中物理选择性必修第三册
一系列理论都和普朗克常量紧密相关。这就预示着这些理论之间存在着紧密的内在联系。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。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
建立普遍性的理论
03.
高中物理选择性必修第三册
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。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
量子力学
04.
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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）。
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
第四部分
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
推动了核物理和粒子物理的发展
01.
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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。而粒子物理学的发展又促进了天文学和宇宙学的研究。
最微观层次和最宏观层次的规律，竟有着紧密的联系。核物理的发展，还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。
这是人们第一次利用太阳以外的能量。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
推动了原子、分子物理和光学的发展
02.
高中物理选择性必修第三册
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。
激光技术
核磁共振
原子钟
固体物理学的发展，还为人们带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并让人们认识了超导等一系列神奇的现象。
推动了固体物理的发展
03.
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人们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。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”。
固体物理学的发展，还为人们带来了低能耗高亮度的半导体发光技术，并让人们认识了超导等一系列神奇的现象。
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
重要技术诞生年份
04.
高中物理选择性必修第三册
光谱的结果显示氢原子只能发出一系列特定波长的光。
回顾与展望
04.
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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。
总结提升
第四部分
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课堂小结
推动了核物理和粒子物理的发展
量子力学的应用
电子、质子、原子等粒子不但具有粒子的性质，而且具有波动的性质
物质波的实验验证
01
02
03
04
描述微观世界行为的理论被称为量子力学（ quantum mechanics）。
这种与实物粒子相联系的波叫做德布罗意波（de Broglie wave）
量子力学的建立
粒子的波动性
例题1
例题精选
01.
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【参考答案】ACD
（多选）关于物质波，下列认识正确的是（ ）
A．只要是运动着的物体，不论是宏观物体，还是微观粒子，都有相应的波动性，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，所以难以观察到它们的波动性
D．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
例题1
例题解析
02.
高中物理选择性必修第三册
【解析】AB．由物质波的定义可知，只要物体运动就会有波动性，其波长故B错误，A正确；
C．宏观物体的德布罗意波长太小，难以观测，故C正确；
D．电子束照射在金属晶体上得到电子束的衍射图样，说明了德布罗意的假设是正确的，故D正确。故选ACD。
例题2
例题精选
03.
高中物理选择性必修第三册
【参考答案】C
量子技术是当前物理学应用研究的热点，下列关于量子论的说法正确的是（　）
A．爱因斯坦提出能量子，成功解释了黑体辐射的规律
B．光电效应实验中，光强越强，光电子逸出时的最大初动能越大
C．康普顿效应表明光子既具有能量，又具有动量
D．德布罗意认为光具有波粒二象性，而实物粒子没有波动性
例题2
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【解析】A．普朗克提出的能量子学说成功解释了黑体辐射的规律，A错误；
B．光电效应实验中，根据可知光电子逸出时的最大初动能与光子频率和金属的逸出功有关，与光强无关，B错误；
C．康普顿效应表明光子既具有能量，又具有动量，体现了光子的粒子性，C正确；
D．德布罗意提出了物质波，认为实物粒子也具有波动性，D错误。故选C。
例题解析
04.
例题3
例题精选
05.
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【参考答案】D
汤姆孙在实验中让一束电子经过电场加速后，通过多晶晶体得到了如图的衍射图样。已知电子质量为，加速后电子速度为，普朗克常量为，则（　）
A．该图样说明电子具有粒子性 B．该实验中电子的德布罗意波波长为
C．加速电压越大，电子的物质波波长越长
D．加速电压越大，电子的粒子性越明显
例题3
高中物理选择性必修第三册
【解析】A．该图样说明电子的衍射性，说明电子的波动性，故A错误；
B．该实验中电子的德布罗意波波长故B错误；
C．加速电压越大，电子速度越大，根据B分析可知，电子的物质波波长越短，故C错误；
D．加速电压越大，电子的物质波波长越短，粒子性越明显，故D正确。
故选D。
例题解析
06.
THANKS
谢谢观看

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