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1、粒子的波粒子的波动动性和量子力学的建立性和量子力学的建立【学习目标】【学习目标】1知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。知道实物粒子和光子一样具有波粒二象性。2知道实物粒子的波动性假设和实验验证。知道实物粒子的波动性假设和实验验证。3了解量子力学的建立及其应用。了解量子力学的建立及其应用。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?一、粒子的波动性一、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
2、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。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。粒子的能量和动量p跟它所对应的波的频率和波长之间，遵从如下关系：这种与实物粒子相联系的波后来被称为德布罗意波德布罗意波，也叫作物质波物质波。根据测算,羽毛球离拍时的最大速度可达到288 km/h,羽毛球的质量为5.0 g,试求其德布罗意波长,我们能观察到羽毛球的波动性吗?羽毛球的速度v=288 km/h=80 m/s,其德布罗意波长=h/p=(6.6310-34)/(5.010-380)m=1.6610-33 m波长太短,无法观察到羽毛
3、球的波动性。任何物体,小到电子、质子,大到行星、太阳都存在波动性,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的缘故。德布罗意假说是光子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。一般宏观物体物质波的波长很短,波动性很不明显,难以观察到其衍射现象,如只有利用金属晶格中的狭缝才能观察到电子的衍射图样。二、物质波的实验验证物质波假设是否正确，需要靠实验判决.德布罗意对物质波进行了深入的思索，在实验验证方面设计好了实验方案.在博士论文答辩会上，答辩委员会主席佩兰(J.B.Per
4、rin，1870-1942)问道，怎样从实验上观察到这个物质波？德布罗意回答说用电子在晶体上做衍射实验.8波的衍射9波在传播过程中遇到有限大障碍物或遇到大障碍物中的空隙时，会绕过障碍物的边缘或空隙的边缘，呈现路径弯曲，在障碍物或空隙边缘的背后展衍，这种现象称为波的衍射衍射.10发生衍射的条件：障碍物尺寸与波长相当或者比波长小障碍物尺寸与波长相当或者比波长小圆孔衍射白光单缝衍射如图甲,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
5、?三、量子力学的建立三、量子力学的建立普朗克黑体普朗克黑体辐射理论辐射理论爱因斯坦爱因斯坦光电效应光电效应理论理论德布罗德布罗意物质意物质波假说波假说康普顿散康普顿散射理论射理论玻尔氢原玻尔氢原子理论子理论普朗克常普朗克常量量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。四.量子力学的应用量子力学推动了核物理和粒子物理的发展核能的利用量子力学推动了原子、分子物理和光学的发展激光、核磁共振、原子钟量子力学推动了固体物理的发展大规模集成电路（芯片）、半导体发光技术 量子力学的应用还有
6、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。例1.质量为10g，速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？如果能够用特殊的方法观察子弹的波动性，我们是否能看到子弹上下或左右颤动着前进，在空间中描绘出正弦曲线或其他周期性曲线？为什么？解：约为2.210-34m；由于子弹的德布罗意波长极短，比宏观物体的尺度小得多，我们不能观察到其衍射现象；由于德布罗意波是一种概率波，仅是粒子在空间出现的概率遵从波动规律，而非粒子做曲线运动。课堂小结