浙江专版2023_2024学年新教材高中物理第4章原子结构和波粒二象性5粒子的波动性和量子力学的建立课件新人教版选择性必修第三册

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5　粒子的波动性和量子力学的建立课前·基础认知课堂·重难突破素养·目标定位随堂训练　素养•目标定位目 标 素 养1.知道德布罗意波的波长和粒子动量关系。2.了解量子力学的建立过程。3.了解量子力学的应用。4.通过对物理学研究过程的了解,体会实验事实以及实验对物理研究的重要性。知 识 概 览课前·基础认知一、粒子的波动性1.德布罗意假说: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,这种与　实物粒子　相联系的波,称为德布罗意波,也叫物质波。 微训练 一颗近地卫星质量为m,其德布罗意波长为多少?(已知地球半径为R,重力加速度为g)二、物质波的实验验证1.波动性的重要特征:干涉和　衍射　现象。 2.电子的衍射图样:1927年戴维孙和汤姆孙分别利用晶体做了电子束衍射实验,得到了电子的衍射图样,如图所示,证实了电子的　波动性　。 3.电子的干涉: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。 4.实验拓展。人们陆续证实了质子、中子以及原子、分子的波动性。对于5.实验结论:物质波的观念被实验证实,电子、质子、原子等粒子和光一样,也具有波粒二象性。微思考1 为什么不能直接看到物质波的衍射?提示:因为物质波波长很短,只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。三、量子力学的建立1.德国物理学家　海森堡　和　玻恩　等人对玻尔的氢原子理论进行了推广和改造,使之可以适用于更普遍的情况。他们建立的理论被称为矩阵力学。 2.1926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,使玻尔理论的局限得以消除。由于这个理论的关键是物质波,因此被称为波动力学。 3.1926年,薛定谔和美国物理学家　埃卡特　很快又证明,波动力学和矩阵力学在数学上是等价的,它们是同一种理论的两种表达方式。 4.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　。 微思考2 普朗克黑体辐射理论、爱因斯坦光电效应理论、康普顿散射理论、玻尔氢原子理论以及德布罗意物质波假说等一系列理论在解释实验方面都取得了成功。在这些成功的理论中,普朗克常量都扮演了关键性的角色,这预示着什么?提示:预示着这些理论之间存在着紧密的内在联系,应该存在着统一描述微观世界行为的普遍性规律。四、量子力学的应用1.量子力学推动了　核物理　和粒子物理的发展。 2.量子力学推动了原子、分子物理和　光学　的发展。 3.量子力学推动了固体物理的发展。课堂·重难突破重难归纳1.对物质波的理解。(1)任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,这种波叫物质波,其波长λ= 。我们之所以观察不到宏观物体的波动性,是因为宏观物体对应的波长太小。(2)德布罗意假说是光的波粒二象性的一种推广,使之包括了所有的物质粒子,即光子与实物粒子都具有粒子性,又都具有波动性,与光子对应的波是电磁波,与实物粒子对应的波是物质波。对物质波的理解2.计算物质波波长的方法。(1)根据已知条件,写出宏观物体或微观粒子动量的表达式p=mv。1927年戴维森和G.P.汤姆孙分别用单晶和多晶晶体做了电子束衍射实验,得到如图甲所示的衍射图样。1961年,约恩孙做了电子双缝干涉实验,从屏上摄得了类似杨氏双缝干涉图样的照片,试问这两个实验证明了什么?提示:电子束衍射实验证明了电子的波动性,电子双缝干涉实验证明了物质波的存在。典例剖析在中子衍射技术中,常利用热中子研究晶体的结构,因为热中子的德布罗意波长与晶体中原子间距相近,已知中子质量m=1.67×10-27 kg,普朗克常量h=6.63×10-34 J·s,可以估算出德布罗意波长λ=1.82×10-10 m的热中子的动量的数量级可能是(　　)A.10-17 kg·m/s B.10-18 kg·m/sC.10-20 kg·m/s D.10-24 kg·m/s答案:D学以致用影响显微镜分辨本领的一个因素是波的衍射,衍射越明显,分辨本领越低。电子显微镜的最高分辨率高达0.2 nm,如果有人制造出质子显微镜,在加速到相同速度的情况下,质子显微镜的最高分辨率将(　　)A.小于0.2 nm B.大于0.2 nmC.等于0.2 nm D.无法确定答案:A解析:波长越短,分辨率越高,由于质子质量大于电子质量,加速到相同速度后,质子的动量大于电子的动量,根据λ= 可知,质子的波长短,因此质子显微镜的最高分辨率将小于0.2 nm,选项A正确。随堂训练1.关于物质波,下列说法正确的是(　　)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本质相同的物质B.物质波和光波都是机械波C.粒子的动量越大,其波动性越易观察D.粒子的动量越小,其波动性越易观察答案:D解析:实物粒子虽然与光子具有某些相同的性质,但粒子是实物,而光则是传播着的电磁波,其本质不同,选项A错误。物质波和光波不是机械波,选项B错误。根据λ= 知,动量越大,波长越短,波动性越不明显;动量越小,波长越长,波动性越明显,选项C错误,D正确。2.如果下列四种粒子具有相同的速率,则德布罗意波长最短的是(　　)A.α粒子 B.β粒子 C.中子 D.质子答案:A即速度大小相同,α粒子的质量m最大,则α粒子的德布罗意波长最短,故选项A正确,B、C、D错误。3.(多选)灯丝发射的电子束经过电场加速后从阳极上的狭缝穿出,通过两条平行狭缝后,在荧光屏上形成明显的双缝干涉图样。已知一个电子从狭缝穿出时动量为p,普朗克常量为h,则(　　)C.荧光屏上暗条纹的位置是电子不能到达的位置D.荧光屏上亮条纹的位置是电子到达概率大的位置答案:BD解析:电子的德布罗意波长为 ,选项A错误,B正确;荧光屏上暗条纹的位置是电子到达概率小的区域,选项C错误;荧光屏上亮条纹的位置是电子到达概率大的区域,选项D正确。4.(多选)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,方法是让电子通过电场加速后,让电子束照射到金属晶格上,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,则下列说法正确的是(　　)A.该实验说明了电子具有波动性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,质子的波长更长AB5.已知普朗克常量为h,真空中的光速为c。一静止的原子核放出一个波长为λ的光子,该光子的能量为　　　　;反冲核的质量为m,则反冲核的物质波的波长为　 。