1、-1-4 实物粒子的波粒二象性-2-课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 随堂练习 典型例题 1.了解德布罗意假说的内容,知道德布罗意波的波长和粒子动量的关系.2.知道粒子和光一样具有波粒二象性.3.了解电子波动性的实验证实,知道电子云.-3-情景思考 课程目标 基础知识 重点难点 随堂练习 典型例题 光的波粒二象性理论告诉我们:光既是电磁波,又是光子,这表明场和实物并非泾渭分明.那么,电子、质子、中子,甚至原子、分子、物体是否也具有波动性呢?德布罗意 提示:1924年,德布罗意推想:自然在许多方面是对称的,“波粒共存的观念可以推广到所有粒子”,既然光具有波粒二象性,则实物粒子或许也有这种二
2、象性,在这样的推想下,德布罗意提出假设:实物粒子和光一样,也具有波粒二象性.-4-基础知识 情景思考 重点难点 随堂练习 典型例题 课程目标 1.德布罗意的假说(1)德布罗意波:任何一个运动的物体,都有一种波与它相对应,这种波称为德布罗意波,也叫物质波.(2)德布罗意关系式:E=h,p=.思考:我们为何观察不到普通物体的波动性?提示:发生明显衍射现象的前提是缝、孔或障碍物的尺寸与波长相差不多或比波长更小.但普通物体的物质波波长太短,所以观察不到它们的波动性.-5-基础知识 情景思考 重点难点 随堂练习 典型例题 课程目标 2.电子波动性的实验证实(1)最早从实验证实电子衍射现象的是美国的戴维孙
3、和革末,他们做了电子束在晶体表面上散射的实验,观察到了和X射线衍射类似的电子衍射现象,首次证实了电子的波动性.(2)汤姆孙做电子束穿过多晶薄膜的衍射实验,成功地得到了和X射线通过多晶薄膜后产生的衍射图样极为相似的衍射图像.也证实了电子的波动性.3.氢原子中的电子云(1)定义:用点的多少表示的电子出现的概率分布.(2)电子的分布:某一空间范围内电子出现概率大的地方点多,电子出现概率小的地方点少.电子云反映了原子核外电子位置的不确定性,说明电子对应的波也是一种概率波.-6-重点难点 课程目标 情景思考 基础知识 随堂练习 典型例题 1.为什么我们感觉不到宏观物体的波动性?如何正确理解德布罗意波?(
4、1)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.(2)德布罗意波是一种概率波,粒子在空间各处出现的概率受波动规律支配,不要以宏观观点中的波来理解德布罗意波.(3)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.-7-重点难点 课程目标 情景思考 基础知识 随堂练习 典型例题(4)求解德布罗意波波长的方法 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.根据波长公式=求解.注意区分光子和微观粒子的
5、能量和动量的不同表达式.如光子的能量=h,动量 p=;微观粒子的动能 Ek=12mv2,动量 p=mv.-8-重点难点 课程目标 情景思考 基础知识 随堂练习 典型例题 2.对“电子云”的理解,物质波也是一种概率波(1)单个粒子运动的偶然性 我们可以知道粒子落在某点的概率,但不能预言粒子落在什么位置,即粒子到达什么位置是随机的,是预先不确定的.(2)大量粒子运动的必然性 由波动规律,我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律,因此我们可以对宏观现象进行预言.(3)概率波体现了波粒二象性的和谐统一 概率波的主体是光子、实物粒子,体现了粒子性的一面;同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律支配,体现
6、了波动性的一面,所以说,概率波将波动性和粒子性统一在一起.-9-典型例题 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 随堂练习 类型一 类型二 类型三 德布罗意波的理解与计算【例题1】中子的质量m=1.6710-27 kg,如果它以v=1.0103 m/s的速度运动,它的德布罗意波长为多长?这个波长与电磁波中哪种波的波长相当?解析:根据德布罗意波公式 p=,而 p=mv,=3.9710-10 m=0.397 nm.与电磁波中X射线的波长相当.答案:0.397 nm 与电磁波中X射线的波长相当 题后反思:(1)计算任何运动物体的德布罗意波长时,都须依据公式=,其中p为运动物体的动量,h为普朗克常量.
7、(2)计算时注意各量须统一用国际单位.中子的德布罗意波长=6.6310-341.6710-271.0103 m-10-典型例题 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 随堂练习 类型一 类型二 类型三 德布罗意波的实验验证【例题2】为了观察到纳米级的微观结构,需用分辨率比光学显微镜更高的电子显微镜,下列说法正确的是()A.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短,因为不易发生明显衍射 B.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长,因为不易发生明显衍射 C.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光短,因为更易发生明显衍射 D.电子显微镜所利用电子物质波的波长可以比可见光长,因为更
8、易发生明显衍射-11-典型例题 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 随堂练习 类型一 类型二 类型三 解析:微观粒子的直径与光波长相比差不多,故很容易发生衍射,所以用波长更短的物质波来观察微观粒子.电子的波长很短,不易发生明显的衍射,故A正确.答案:A 题后反思:电子、质子、中子等微观粒子的德布罗意波长比可见光的波长短得多,不易发生衍射.-12-典型例题 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 随堂练习 类型一 类型二 类型三“电子云”的理解【例题3】如何理解“电子云”的概念?解析:宏观领域中的概念在微观领域中是不适用的,玻尔理论中电子的轨道实际是电子出现概率大的地方,如果用疏密不同的点来
9、表示电子在各个位置出现的概率分布,称为电子云.在微观领域不能用“轨道”来描述粒子的运动,而应使用表示粒子出现概率大小的“粒子云”来描述粒子的运动.答案:见解析 题后反思:电子云是对电子运动的一种形象化比喻,绝不是说电子本身像一朵云一样在空间弥散开来.-13-随堂练习 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 典型例题 1 2 3 4 1(多选)现代物理学认为,光和实物粒子都具有波粒二象性,下列事实中突出体现波动性的是()A.一定频率的光照射到锌板上,光的强度越大,单位时间内锌板上发射的光电子就越多 B.肥皂液是无色的,吹出的肥皂泡却是彩色的 C.质量为10-3 kg、速度为10-2 m/s的小球
10、,其德布罗意波长为10-28 m,不过我们能清晰地观测到小球的运动轨迹 D.人们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大致相同-14-随堂练习 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 典型例题 1 2 3 4 解析:光照射到锌板上,发生光电效应,说明光有粒子性,A错.白光在肥皂泡上发生薄膜干涉,会出现彩色条纹,光的干涉现象说明了光具有波动性,B正确.由于实物粒子的波长很小,波动性不明显,表现为粒子性,C错.用热中子研究的晶体结构,是利用热中子的波动性,D正确.答案:BD-15-随堂练习 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 典型例题 1 2 3 4 2根据德布罗
11、意波的概念,下列说法正确的是()A.质量大的物体,其德布罗意波长小 B.速度大的物体,其德布罗意波长小 C.动量大的物体,其德布罗意波长小 D.动能小的物体,其德布罗意波长小 解析:根据=可知,动量大的物体德布罗意波长小,选项 C 是正确 的,质量大或速度大或动能小,都不能确定其动量大小,所以其他三个选项错误.故正确选项为C.答案:C-16-随堂练习 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 典型例题 1 2 3 4 3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,在加速到相同的速度情况下,质子显微镜的最高分辨率将()A.小于0.2 nm B.大于0.2 nm C.等于0.2
12、 nm D.以上说法均不正确 解析:显微镜的分辨能力与波长有关,波长越短其分辨率能力越强,由=知,如果把质子加速到与电子相同的速度,质子的波长更短,分辨能力更高.答案:A -17-随堂练习 课程目标 情景思考 基础知识 重点难点 典型例题 1 2 3 4 4下图为证实电子波存在的实验装置,从灯丝F上漂出的热电子可认为初速度为零,所加加速电压U=104 V,电子质量为m=0.9110-30 kg.电子被加速后通过小孔K1和K2后入射到薄的金膜上,发生衍射,结果在照相底片上形成同心圆明暗条纹.试计算电子的德布罗意波波长.解析:电子加速后的动能 Ek=12mv2=eU,电子的动量 p=mv=2k=2.由=知,=2,代入数据得 1.2310-11 m.答案:1.2310-11 m