1、深圳大學附屬中學THE AFFILIATED HIGH SCHOOL OF SHEN ZHEN UNIVERSITY第四章 原子結構和波粒二象性4.5 粒子的波動性和量子力學的建立吳小菊一、新知導入光的波粒二象性：光既具有波動性又具有粒子性。波長越長，動量P越小波動性強，粒子性弱波長越短，動量P越大波動性弱，粒子性強，p粒子性，波動性h粒子性、波動性的橋梁二、粒子的波動性光具有粒子性，實物粒子具有波動性嗎？整個世紀以來（指19世紀），在光學上，與波動方面的研究相比，忽視了粒子方面的研究；而在實物粒子的研究上，是否發生了相反的錯誤呢？是不是我們把粒子方面的圖像想得太多，而忽視了波的現象？德布羅意

2、1892-1987，法國實物粒子也應具有波動性二、粒子的波動性每一個運動的粒子都與對應的波相聯系，這種與實物粒子相聯系的波后來被稱為德布羅意波，也叫作物質波.1）德布羅意波：2）物質波的波長：3）物質波的頻率：二、粒子的波動性德布羅意博士論文的獨創性得到了答辯委員會的高度評價，但是人們總認為他的想法過于玄妙，無法接受。于是，有人質問：有什么可以驗證這一新的觀念？如果你是德布羅意，將如何驗證自己的觀點？如果實物粒子具有波動性，就應該能夠發生干涉或者衍射現象要觀察到明顯衍射現象，則孔和縫的尺寸應與波長相當或者更小三、物質波的實驗驗證電子的德布羅意波長：加速電勢差為U，則可獲得電子在不同電壓下的波長

3、與X射線的波長(1pm-10nm)相當三、物質波的實驗驗證X射線照在晶體上可以產生衍射0.1 nm若電子具有波動性的理論成立，那么電子打在晶體上應也能觀察到衍射現象。X射線衍射圖樣三、物質波的實驗驗證屏 P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實驗1927年，戴維森和G. P.湯姆孫分別獨立完成了電子衍射實驗戴維森1881-1958，美國G. P.湯姆孫1892-1975，英國ABC波長為0.71 nm的X射線通過鋁箔所得到的衍射環波長為0.05 nm的電子束通過鋁箔所得到的衍射環中子通過鋁箔所得到的衍射環此后，人們相繼證實了中子、質子以及原子、分子的波動性三、物質波的實驗驗證電子雙縫實驗1961年，德

4、國科學家瓊森將一束電子加速到50 KeV，讓其通過一縫寬為a=0.510-6m，間隔為d=210-6m的雙縫，當電子撞擊熒光屏時，發現了類似于雙縫衍射實驗結果。大量電子一次性的行為電子干涉條紋一個電子和一個質子具有同樣的動能時，它們的德布羅意波長哪個長？由 得：動量小，德布羅意波長長。因此當具有同樣的動能時，電子比質子的德布羅意波長長。動能相同時，電子質量小，其動量就小；德布羅意提出物質波的觀念被證實，表明實物粒子也具有波粒二象性。三、物質波的實驗驗證三、物質波的實驗驗證思考：為什么宏觀物體的波動性無法觀察？例如，羽毛球離拍時的最大速度可達到288 km/h,羽毛球的質量為5.0 g波長太短，

5、無法觀察到羽毛球的波動性宏觀物體的質量比微觀粒子大得多，它們運動時動量很大，德布羅意波長很短。四、物質波的應用利用可見光工作的光學顯微鏡，由于衍射現象的限制，其分辨本領不能無限提高。而現代科技中常常用到的電子顯微鏡，其分辨本領可以達到0.2nm甚至更小，能夠看到蛋白質分子和金屬的晶體結構。電子顯微鏡的原理便是，電子束也是一種波，當把它加速時，其德布羅意波長比可見光的波長短的多，衍射現象的影響非常小，從而可以達到較高的分辨率。電子顯微鏡下的生命電子顯微鏡下的蟲螨五、量子力學的建立黑體輻射中的“紫外災難”光電效應的一些現象無法用經典波動理論解釋氫原子光譜的分立特征無法用經典理論解釋能量子=h五、量

6、子力學的建立一系列理論都和普朗克常量緊密相關這些理論之間存在著緊密的內在聯系存在著統一描述微觀世界行為的普遍性規律五、量子力學的建立1925年，德國物理學家海森堡和玻恩等人建立了矩陣力學。1926年，奧地利物理學家薛定諤提出了物質波滿足的方程薛定諤方程。波動力學海森堡1901-1976，德國玻恩1882-1970，德國薛定諤1887-1961，奧地利1926年，薛定諤和美國物理學家埃卡特很快又證明波動力學矩陣力學=數學上同一種理論的兩種表達方式五、量子力學的建立隨后數年，在以玻恩、海森堡、薛定諤以及英國的狄拉克和奧地利的泡利為代表的眾多物理學家的共同努力下，描述微觀世界行為的理論被逐步完善并最

7、終完整地建立起來，它被稱為量子力學（ quantum mechanics）。六、量子力學的應用推動核物理和粒子物理的發展使我們認識了微觀層次的物質結構促進天文學和宇宙學的研究驚奇地發現，最微觀層次和最宏觀層次的規律，竟有著緊密的聯系！量子力學促進粒子物理學的發展六、量子力學的應用推動核物理和粒子物理的發展“這是人們第一次利用太陽以外的能量。”量子力學推動核物理發展讓人們成功地認識并利用了原子核反應堆所釋放的能量核能。六、量子力學的應用發展了各式各樣的對原子和電磁場進行精確操控和測量的技術，如激光、核磁共振、原子鐘等等。以激光為載體的光纖網絡使我們實現了即時通信推動原子、分子物理和光學的發展核磁共振技術被用于醫學診斷激光技術使我們獲得了純凈可控的光源六、量子力學的應用原子鐘利用原子為電磁波校準頻率，從而實現了對時間的高精度測量。在日常生活和國家安全中發揮巨大作用的衛星定位技術，其核心部件就是原子鐘。推動原子、分子物理和光學的發展最早的原子鐘之一北斗衛星定位導航系統六、量子力學的應用了解了固體中電子運行的規律，并弄清了為什么固體有導體、絕緣體和半導體之分。“芯片”對電路進行操控，速度和可靠性都遠勝過去的電子管，而體積則小得多。集成電路推動固體物理的發展晶體管結合激光光刻技術六、量子力學的應用推動固體物理的發展集成