第5節(jié)　粒子的波動性和量子力學(xué)的建立

第5節(jié)粒子的波動性和量子力學(xué)的建立核心素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)物理觀念(1)知道實物粒子的波動性假設(shè)和實驗驗證。(2)知道實物粒子和光一樣也具有波粒二象性。科學(xué)思維量子力學(xué)的建立過程。科學(xué)探究了解電子衍射實驗，了解創(chuàng)造條件來進行有關(guān)物理實驗的方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任(1)體會科學(xué)的發(fā)展需要經(jīng)過一個較長的歷史發(fā)展過程，不斷得到糾正和修正。通過相關(guān)理論的實驗驗證，逐步形成嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度。(2)體會量子力學(xué)的建立對人們認識物質(zhì)世界的影響。實物粒子干涉(2)實驗驗證：1927年戴維森和G.P.湯姆孫分別用單晶和多晶晶體做了_______衍射實驗，得到了_____的衍射圖樣，證實了電子的_________。二、量子力學(xué)的建立與應(yīng)用1．經(jīng)典物理學(xué)的困難19、20世紀之交，人們在黑體輻射、__________、氫原子光譜等許多類問題中，都發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的現(xiàn)象。2．各近代實驗的成功理論普朗克黑體輻射理論、愛因斯坦______________、康普頓散射理論、玻爾氫原子理論以及德布羅意物質(zhì)波假說等一系列理論在解釋實驗方面都取得了成功。電子束電子波動性光電效應(yīng)光電效應(yīng)理論3．量子力學(xué)的建立在以德國的玻恩、海森堡以及英國的狄拉克和奧地利的泡利、薛定諤為代表的眾多物理學(xué)家的共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最終完整地建立起來。4．量子力學(xué)的應(yīng)用(1)量子力學(xué)推動了核物理和粒子物理的發(fā)展。(2)量子力學(xué)推動了原子、分子物理和光學(xué)的發(fā)展。(3)量子力學(xué)推動了固體物理的發(fā)展。1．根據(jù)測算，羽毛球離拍時的最大速度可達到288km/h，羽毛球的質(zhì)量為5.0g。求德布羅意波的波長以及能否觀察到羽毛球的波動性？2．在這些成功的理論中，有什么發(fā)現(xiàn)？有什么啟迪？

提示：在這些成功的理論中，普朗克常量都扮演了關(guān)鍵性角色。預(yù)示著這些理論之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，為人們探索統(tǒng)一描述微觀世界行為的普遍規(guī)律指明了方向。新知學(xué)習(xí)(一)|物質(zhì)波的理解及波長計算[任務(wù)驅(qū)動]

電子束穿過鋁箔后的衍射圖樣說明了什么？提示：說明了電子具有波動性。

[重點釋解]1．對物質(zhì)波的理解(1)任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動性，是因為宏觀物體對應(yīng)的波長太小的緣故。(2)粒子在空間各處出現(xiàn)的概率受統(tǒng)計規(guī)律支配，不要以宏觀觀點中的波來理解德布羅意波。(3)德布羅意波假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實物粒子都具有粒子性，又都具有波動性，與光子對應(yīng)的波是電磁波，與實物粒子對應(yīng)的波是物質(zhì)波。[典例體驗][典例]

(2022·南京高二檢測)波長λ＝0.71×10－10m的倫琴射線使金箔發(fā)射光電子，電子在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場區(qū)域內(nèi)做最大半徑為r的勻速圓周運動，已知rB＝1.88×10－4m·T、h＝6.63×10－34J·s、me＝9.1×10－31kg。試求：(1)光電子的最大初動能；(2)金屬的逸出功；(3)該電子的物質(zhì)波的波長是多少？[答案]

(1)3.1×103eV

(2)1.44×104eV(3)2.2×10－11m[針對訓(xùn)練]1．(2022·北京海淀區(qū)期末)以下關(guān)于物質(zhì)波的說法正確的是

(

)A．實物粒子具有粒子性，在任何條件下都不可能表現(xiàn)出波動性B．宏觀物體不存在對應(yīng)的波C．電子在任何條件下都能表現(xiàn)出波動性D．微觀粒子在一定條件下能表現(xiàn)出波動性解析：任何一個運動著的物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽，都有一種波與之對應(yīng)，這種波稱為物質(zhì)波，故A、B錯誤；電子有波動性，但在一定的條件下才能表現(xiàn)出來，故C錯誤，D正確。答案：D2．(2022·江蘇蘇州高二下期中)在中子衍射技術(shù)中，常利用熱中子研究晶體的結(jié)構(gòu)，因為熱中子的德布羅意波長與晶體中原子間距相近。已知中子質(zhì)量m＝1.67×10－27kg，普朗克常量h＝6.63×10－34J·s，可以估算德布羅意波長λ＝1.82×10－10m的熱中子動量的數(shù)量級為 (

)A．10－17kg·m/s

B．10－19kg·m/sC．10－21kg·m/s D．10－24kg·m/s答案：D

新知學(xué)習(xí)(二)|光的波粒二象性[重點釋解]1．人類對光的本性認識史人類對光的認識經(jīng)歷了漫長的歷程，從牛頓時代光的微粒說，到惠更斯和托馬斯·楊的波動說，到麥克斯韋的電磁說，再到愛因斯坦的光子說。直到20世紀初，對于光的本性的認識才提升到一個更高層次，即光具有波粒二象性。對于光的本性認識史，列表如下。學(xué)說名稱微粒說波動說電磁說光子說波粒二象性代表人物牛頓惠更斯麥克斯韋斯坦愛因公認實驗依據(jù)光的直線傳播，光的反射光的干涉，衍射能在真空中傳播，是橫波，光速等于電磁波的速度光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)光既有波動現(xiàn)象，又有粒子特征內(nèi)容要點光是一群彈性粒子光是一種機械波光是一種電磁波光是由一份一份光子組成的光是具有電磁本性的物質(zhì)，既有波動性又有粒子性續(xù)表2．對光的波粒二象性的理解比較項實驗基礎(chǔ)表現(xiàn)說明光的波動性干涉和衍射(1)光子在空間各點出現(xiàn)的可能性大小可用波動規(guī)律來描述(2)足夠能量的光在傳播時，表現(xiàn)出波的性質(zhì)(1)光的波動性是光子本身的一種屬性，不是光子之間相互作用產(chǎn)生的(2)光的波動性不同于宏觀觀念的波光的粒子性光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)(1)當(dāng)光同物質(zhì)發(fā)生作用時，這種作用是“一份一份”進行的，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)(2)少量或個別光子容易顯示出光的粒子性(1)粒子的含義是“不連續(xù)”“一份一份”的(2)光子不同于宏觀觀念的粒子聯(lián)系大量光子表現(xiàn)出波動性，個別光子表現(xiàn)出粒子性，頻率越高粒子性越顯著，頻率越低波動性越顯著續(xù)表[典例體驗][典例]

(多選)關(guān)于光的波粒二象性的理解正確的是

(

)A．大量光子的行為往往表現(xiàn)出波動性，個別光子的行為往往表現(xiàn)出粒子性B．光在傳播時是波，而與物質(zhì)相互作用時就轉(zhuǎn)變成粒子C．高頻光是粒子，低頻光是波D．波粒二象性是光的根本屬性，有時它的波動性顯著，有時它的粒子性顯著[解析]

波粒二象性是光的根本屬性，光在傳播時波動性顯著，光與物質(zhì)相互作用時粒子性顯著，頻率高的光粒子性顯著，頻率低的光波動性顯著，A、D正確，B、C錯誤。[答案]

AD/方法技巧/解答此類問題時應(yīng)把握以下三點(1)光具有波粒二象性，光與實物粒子有區(qū)別。(2)光的波長越長波動性越顯著，波長越短粒子性越顯著。(3)個別光子易顯示粒子性，大量光子易顯示波動性。

[針對訓(xùn)練]1．(多選)下列有關(guān)光的波粒二象性的說法中，正確的是

(

)A．有的光是波，有的光是粒子B．光子與電子是同樣的一種粒子C．光的波長越長，其波動性越顯著；波長越短，其粒子性越顯著D．康普頓效應(yīng)表明光具有粒子性解析：一切光都具有波粒二象性，光的有些行為(如干涉、衍射)表現(xiàn)出波動性，光的有些行為(如光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng))表現(xiàn)出粒子性，所以，不能說有的光是波，有的光是粒子，雖然光子與電子都是微觀粒子，都具有波粒二象性，但電子是實物粒子，有靜止質(zhì)量，光子不是實物粒子，沒有靜止質(zhì)量，電子是以實物形式存在的物質(zhì)，光子是以場形式存在的物質(zhì)，所以，不能說光子與電子是同樣的一種粒子，光的波長越長，衍射性越好，即波動性越顯著，光的波長越短，粒子性就越顯著，故選項C、D正確，A、B錯誤。答案：CD2．下列關(guān)于光的本性的說法中正確的是

(

)A．關(guān)于光的本性，牛頓提出了“微粒說”，惠更斯提出了“波動說”，愛因斯坦提出了“光子說”，綜合他們的說法圓滿地說明了光的本性B．光具有波粒二象性是指既可以把光看成宏觀概念上的波，也可以看成微觀概念上的粒子C．光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性D．頻率低、波長長的光，粒子性特征顯著；頻率高、波長短的光，波動性特征顯著解析：牛頓的“微粒說”認為光是一種實物粒子，是宏觀意義的粒子，而不是微觀概念上的粒子，這實際上是不科學(xué)的，光既具有粒子性，又具有波動性，即具有波粒二象性，才能圓滿說明光的本性，故A錯誤；光具有波粒二象性，但不能把光看成宏觀概念上的波，光的粒子性要求把光看成微觀概念上的粒子，故B錯誤；干涉和衍射是波的特有現(xiàn)象，光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)說明光具有粒子性，故C正確；頻率低、波長長的光，波動性特征顯著；頻率高、波長短的光，粒子性特征顯著，故D錯誤。答案：C一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

物理觀念——光的波粒二象性1．(選自滬科版新教材課后練習(xí))在生活中我們會拍很多照片，通常我們都認為，這是由人和景物發(fā)出或反射的光波經(jīng)過照相機的鏡頭聚焦在底片上形成的。實際上照片上的圖像也是由光子撞擊底片，使上面的感光材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成的。如圖是用不同曝光量洗印的照片，請你根據(jù)自己對光的理解做出說明。提示：光波是一種概率波，在照片中有些地方光子出現(xiàn)的概率大，有些地方光子出現(xiàn)的概率小。光子個數(shù)較少時，在照片上出現(xiàn)的是一些隨機分布的光點，隨著曝光量的增大，圖像逐漸呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，整體逐漸清晰起來。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．(多選)我國研制的世界首顆量子科學(xué)試驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射和在軌運行，將有助于我國廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，服務(wù)于國家信息安全。關(guān)于量子和量子化，下列說法正確的是

(

)A．玻爾在研究原子結(jié)構(gòu)中引進了量子化的概念B．普朗克把能量子引入物理學(xué)，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念C．光子的概念是愛因斯坦提出的D．光電效應(yīng)實驗中的光電子，也就是光子解析：玻爾在研究原子結(jié)構(gòu)中引進了軌道量子化和能量量子化的觀念，故A正確；普朗克引入能量子的觀點，破除了“能量連續(xù)變化”的傳統(tǒng)觀念，故B正確；愛因斯坦提出了光子說并建立了光電效應(yīng)方程，故C正確；光電效應(yīng)實驗中發(fā)射出來的電子叫光電子，所以光電效應(yīng)實驗中的光電子，還是電子，不是光子，故D錯誤。答案：ABC