第5章 第3节 实物粒子的波粒二象性 第4节“基本粒子”与恒星演化

第页第3节实物粒子的波粒二象性第4节“基本粒子”与恒星演化学习目标知识脉络1.知道实物粒子具有波动性，会计算物质波的波长，知道电子云，初步了解不确定性关系．(重点、难点)2.初步了解粒子物理学的基础知识．(重点)3.初步了解恒星的演化．(重点)4.了解人类认识世界的发展性，体会人类对世界的探究是不断深入的.德布罗意假设及其实验探索eq\o([先填空])1．德布罗意波德布罗意提出实物粒子也具有波动性．称这种波为物质波或德布罗意波．2．物质波的波长、频率与粒子能量、动量的关系(1)粒子能量E与相应波的频率ν之间的关系为E＝hν.(2)动量p与相应波长λ之间的关系为p＝eq\f(h,λ).3．物质波的实验验证(1)1927年，戴维孙和革末通过实验首次发现了电子的衍射现象．(2)1927年，汤姆孙用实验证明，电子在穿过金属片后像X射线一样产生衍射现象，也证实了电子的波动性．(3)1960年，约恩孙直接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．eq\o([再判断])1．电子不但具有粒子性也具有波动性．(√)2．物质波的波长由粒子的大小决定．(×)3．物质波的波长和粒子运动的动量有关．(√)eq\o([后思考])运动着的宏观物体具有波动性，为什么我们很难观察到宏观物体的波动性？【提示】由p＝eq\f(h,λ)得，λ＝eq\f(h,p)，宏观物体的动量比微观粒子的动量大得多，运动着的宏观物体的波长都很短，而波长越长波动性越明显，所以我们很难观察到宏观物体的波动性．eq\o([核心点击])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的缘故．2．粒子在空间各处出现的几率受统计规律支配，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．1．(多选)以下说法正确的是()A．宏观粒子也具有波动性B．抖动细绳一端，绳上的波就是物质波C．物质波也是一种概率波D．物质波就是光波【解析】任何物体都具有波动性，故A正确．对宏观物体而言，其波动性难以观测，我们所看到的绳波是机械波，不是物质波，故B错误．物质波与光波一样，也是一种概率波，即粒子在各点出现的概率遵循波动规律，但物质波不是光波，故C正确，D错误．【答案】AC2．如果一个电子的德布罗意波长和一个中子的相等，则它们的________也相等．【解析】由λ＝eq\f(h,p)可知，如果一个电子和一个中子的德布罗意波长相等，则它们的动量p相等．【答案】动量3．质量为10g、速度为300m/s在空中飞行的子弹，其德布罗意波长是多少？为什么我们无法观察出其波动性？【解析】子弹在空中飞行时的动量p＝mv＝10×10－3×300kg·m/s＝3kg·m/s子弹的德布罗意波长为λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(6.63×10－34,3)m＝2.21×10－34m由于子弹的德布罗意波长极短，故无法观察到其波动性．【答案】2.21×10－34m由于子弹的德布罗意波长极短，无法观察到其波动性有关德布罗意波计算的一般方法(1)计算物体的速度，再计算其动量．如果知道物体动能也可以直接用p＝eq\r(2mEk)计算其动量．(2)根据λ＝eq\f(h,p)计算德布罗意波长．(3)需要注意的是：德布罗意波长一般都很短，比一般的光波波长还要短，可以根据结果的数量级大致判断结果是否合理．(4)宏观物体的波长小到可以忽略，其波动性很不明显．不确定性关系及电子云eq\o([先填空])1．在微观世界中，粒子的位置和动量存在不确定性，不能同时测量．2．不确定性关系：ΔxΔp≥eq\f(h,4π).式中，Δx为位置的不确定范围，Δp为动量的不确定范围，h为普朗克常量．3．此式表明，不能同时精确测定一个微观粒子的位置和动量．4．电子云(1)定义在原子核周围用点的疏密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密，电子出现概率小的地方点疏．电子云反映了原子核外电子位置的可能性．eq\o([再判断])1．无论宏观世界还是微观世界，粒子的位置都是确定的．(×)2．我们可以根据电子的运动轨迹判断电子的出现位置．(×)3．微观世界中不可以同时测量粒子的动量和位置．(√)eq\o([后思考])在微观物理学中，我们不可能同时准确地知道某个粒子的位置和动量，那么粒子出现的位置是否就是无规律可循的？【提示】粒子出现的位置还是有规律可循的，那就是统计规律，比如干涉、衍射的亮斑位置就是粒子出现概率大的位置．eq\o([核心点击])1．粒子位置的不确定性：单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，也就是说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的．2．粒子动量的不确定性(1)微观粒子具有波动性，会发生衍射．大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外．这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量．(2)由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性，不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量．3．位置和动量的不确定性关系：ΔxΔp≥eq\f(h,4π)由ΔxΔp≥eq\f(h,4π)可以知道，在微观领域，要准确地确定粒子的位置，动量的不确定性就更大；反之，要准确地确定粒子的动量，那么位置的不确定性就更大．4．微观粒子的运动没有特定的轨道：由不确定关系ΔxΔp≥eq\f(h,4π)可知，微观粒子的位置和动量是不能同时被确定的，这也就决定了不能用“轨迹”的观点来描述粒子的运动．5．经典物理和微观物理的区别(1)在经典物理学中，可以同时用位置和动量精确地描述质点的运动，如果知道质点的加速度，还可以预言质点在以后任意时刻的位置和动量，从而描绘它的运动轨迹．(2)在微观物理学中，不可能同时准确地知道粒子的位置和动量．因而也就不可能用“轨迹”来描述粒子的运动．但是，我们可以准确地知道大量粒子运动时的统计规律．4．(多选)关于不确定性关系Δx·Δp≥eq\f(h,4π)有以下几种理解，正确的是()【导学号：64772067】A．微观粒子的动量不可确定B．微观粒子的位置不可确定C．微观粒子的动量和位置不可同时确定D．不确定性关系不仅适用于电子和光子等微观粒子，也适用于宏观物体【解析】由ΔxΔp≥eq\f(h,4π)可知，当粒子的位置不确定性小时，粒子动量的不确定性大；反之，当粒子的位置不确定性大时，粒子动量的不确定性小．故不能同时测量粒子的位置和动量，故A、B错，C对．不确定性关系是自然界中的普遍规律，对微观粒子的影响显著，对宏观物体的影响可忽略，故D正确．【答案】CD5．已知eq\f(h,4π)＝5.3×10－35J·s，试求下列情况中速度测定的不确定量．(1)一个球的质量m＝1.0kg，测定其位置的不确定量为10－6m.(2)电子的质量m＝9.0×10－31kg，测定其位置的不确定量为10－10m．(即在原子的数量级)【解析】(1)m＝1.0kg，Δx1＝10－6m，由ΔxΔp≥eq\f(h,4π)，Δp＝mΔv知Δv1＝eq\f(h,4πΔ1xm)＝eq\f(5.3×10－35,10－6×1.0)m/s＝5.3×10－29m/s.(2)me＝9.0×10－31kg，Δx2＝10－10mΔv2＝eq\f(h,4πΔx2me)＝eq\f(5.3×10－35,10－10×9.0×10－31)m/s＝5.89×105m/s.【答案】(1)5.3×10－29m/s(2)5.89×105m/s对不确定性关系的三点提醒(1)在宏观世界中物体的质量与微观世界中粒子的质量相比较，相差很多倍．(2)根据计算的数据可以看出，宏观世界中的物体的质量较大，位置和速度的不确定量较小，可同时较精确地测出物体的位置和动量．(3)在微观世界中粒子的质量较小，不能同时精确地测出粒子的位置和动量，不能准确把握粒子的运动状态．“基本粒子”与恒星的演化eq\o([先填空])1．对粒子的认识过程(1)“基本粒子”：电子、质子和中子．曾认为它们是组成物质的基本粒子，后来又认识到“基本粒子”的复杂内部结构．(2)新粒子：1932年发现了正电子，1937年发现了μ子，1947年发现k介子和π介子及以后发现的超子等．2．粒子的分类：已发现的粒子分为媒介子、轻子和强子三类．3．影响“粒子”的相互作用力引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用．4．夸克模型(1)夸克：强子是由夸克构成的．(2)分类：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克；它们所带的电荷是电子或质子所带电荷的2/3或1/3.5．恒星的演化(1)恒星的形成：大爆炸后，在万有引力作用下形成星云团，进一步凝聚开始发光形成恒星．(2)恒星的归宿：聚变反应层级递进地在恒星内发生，直到各种热核反应不再发生，恒星的中心密度达到极大，在强大的引力下形成白矮星、中子星或黑洞．(3)恒星的演化过程：原恒星→主序星(现在太阳正处于此阶段)→红巨星或超新星→白矮星、中子星或黑洞．eq\o([再判断])1．强子是参与强相互作用的粒子．(√)2．目前发现的轻子有8种．(×)3．宇宙将一直会膨胀下去．(×)eq\o([后思考])星云是怎样形成恒星的？恒星形成时是怎样发光的？恒星在哪个阶段停留时间最长？【提示】星云在外界影响下聚集，某些区域在引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，星云团中引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时，开始发光，形成原恒星．恒星在主序星阶段停留时间最长．eq\o([核心点击])1．新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年20世纪60年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与核子之间其质量比质子大2.粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”构成；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、中间玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用3.夸克的分类夸克有6种，它们是上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，它们带的电荷是电子或质子所带电荷的eq\f(2,3)或eq\f(1,3).每种夸克都有对应的反夸克．4．两点提醒(1)质子是最早发现的强子，电子是最早发现的轻子，τ子的质量比核子的质量大，但力的性质决定了它属于轻子．(2)粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子，它们相遇时会发生“湮灭”，即同时消失而转化成其他的粒子．6．(多选)关于粒子，下列说法正确的是()A．电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子B．强子中也有不带电的粒子C．夸克模型是探究三大类粒子结构的理论D．夸克模型说明电子电荷不再是电荷的最小单位【解析】由于质子、中子是由不同夸克组成的，它们不是最基本的粒子，不同夸克构成强子，有的强子带电，有的强子不带电，故A错误，B正确；夸克模型是研究强子结构的理论，不同夸克带电不同，分别为＋eq\f(2,3)e和－eq\f(e,3)，说明电子电荷不再是电荷的最小单位，C错误，D正确．【答案】BD7．在β衰变中常伴有一种称为“中微子”的粒子放出．中微子的性质十分特别，因此在实验中很难探测.1953年，莱尼斯和柯文建造了一个由大水槽和探测器组成的实验系统，利用中微子与水中eq\o\al(1,1)H的核反应，间接地证实了中微子的存在．(1)中微子与水中的eq\o\al(1,1)H发生核反应，产生中子(eq\o\al(1,0)n)和正电子(eq\o\al(0,＋1)e)，即中微子＋eq\o\al(1,1)H→eq\o\al(1,0)n＋eq\o\al(0,＋1)e.可以判定，中微子的质量数和电荷数分别是________．(填写选项前的字母)A．0和0 B．0和1C．1和0 D．1和1(2)上述核反应产生的正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体后，可以转变为两个光子(γ)，即eq\o\al(0,＋1)e＋eq\o\al(0,－1)e→2γ.已知正电子和电子的质量都为9.1×10－31kg，反应中产生的每个光子的能量约为________J．正电子与电子相遇不可能只转变为一个光子，原因是________．(3)试通过分析比较，具有相同动能的中子和电子的物质波波长的大小．【解析】(1)发生核反应前后，粒子的质量数和电荷数均不变，据此可知中微子的质量数和电荷数都是0，A正确．(2)产生的能量是由于质量亏损．两个电子转变为两个光子之后，质量变为零，则E＝Δmc2，故一个光子的能量为eq\f(E,2)，代入数据得eq\f(E,2)＝8.2×10－14J．正电子与水中的电子相遇，与电子形成几乎静止的整体，故系统总动量为零，故如果只产生一个光子是不可能的，因为此过程遵循动量守恒定律．(3)物质波的波长为λ＝eq\f(h,p)，要比较波长需要将中子和电子的动量用动能表示出来即p＝eq\r(2mEk)，因为mn>me，所以pn>pe，故λn<λe.【答案】见解析处理新粒子问题的方法核反应过程中新生成的粒子和实物粒子一样，也能产生物质波，它们之间发生相互作用时，同样遵循动量守恒定律等力学规律，所以应熟练地掌握物理知识和物理规律，并灵活应用．学业分层测评(十五)(建议用时：45分钟)[学业达标]1．下列说法中正确的是()A．夸克模型说明电子电荷量是最小的电荷单元B．目前已经发现了自由态的夸克C．目前发现的夸克有8种D．每种夸克都有对应的反夸克【解析】夸克模型指出目前发现了6种夸克，每种夸克都有对应的反夸克，所以C错误，D正确；夸克所带电荷量小于电子电荷量，但还没有发现自由态的夸克，这就是夸克的“禁闭”，所以A、B错．【答案】D2．关于宇宙和恒星的演化，下列说法正确的是()A．宇宙已经停止演化B．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定C．当温度达到一定值时，恒星内发生氦聚变，亮度减弱D．恒星最终都会演化为黑洞【解析】目前宇宙的演化仍在进行，A错．恒星在主序星阶段时停留时间最长、最稳定，B对．恒星内由氢聚变转变为氦聚变时，亮度增加，C错．根据最终质量的不同恒星最终演化为白矮星或中子星或黑洞，D错．【答案】B3．(多选)关于物质波，下列认识正确的是()A．任何运动的物体(质点)都伴随一种波，这种波叫物质波B．X射线的衍射实验，证实了物质波假设是正确的C．电子的衍射实验，证实了物质波假设是正确的D．宏观物质尽管可以看成物质波，但它们不具有干涉、衍射等现象【解析】据德布罗意物质波理论，任何一个运动的物体，小到电子、质子，大到行星、太阳，都有一种波与之相对应，这种波就叫物质波，可见，A选项正确；由于X射线本身就是一种波，而不是实物粒子，故X射线的衍射现象，并不能证实物质波理论的正确性，故B选项错误；电子是一种实物粒子，电子的衍射现象表明运动着的实物粒子具有波动性，故C选项正确；由电子穿过铝箔的衍射实验知，少量电子穿过铝箔后所落位置是散乱的，无规律的，但大量电子穿过铝箔后所落的位置呈现出衍射图样，即大量电子的行为表现出电子的波动性，干涉、衍射是波的特有现象，只要是波，都会发生干涉、衍射现象，故D选项错误．【答案】AC4．(多选)电子的运动受波动性的支配，对氢原子的核外电子，下列说法正确的是()【导学号：64772068】A．电子绕核运动的“轨道”其实是没有意义的B．电子轨道只不过是电子出现的概率比较大的位置C．电子绕核运动时电子边运动边振动D．电子在核外的位置是不确定的【解析】根据电子的波粒二象性，其在某时刻出现的位置不能确定，但其在某点出现的概率受波动规律支配，所以A、B、D正确，C错误．【答案】ABD5．(多选)光通过单缝所发生的现象，用位置和动量的不确定性关系的观点加以解释，正确的是()A．单缝宽，光是沿直线传播，这是因为单缝宽，位置不确定量Δx大，动量不确定量Δp小，可以忽略B．当能发生衍射现象时，动量不确定量Δp就不能忽略C．单缝越窄，中央亮纹越宽，是因为位置不确定量越小，动量不确定量越大的缘故D．当发生明显衍射现象时，位置的不确定量Δx不能忽略【解析】光在传播过程中的位置和动量的不确定关系为ΔxΔp≥eq\f(h,4π).发生衍射时Δx>0，所以Δp不能忽略，故B对．缝越宽Δp越小，缝越窄Δp越大，所以A、C正确．【答案】ABC6．(多选)为了验证光的波粒二象性，在双缝干涉实验中将光屏换成照相底片，并设法减弱光的强度，下列说法正确的是()A．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现双缝干涉图样B．使光子一个一个地通过双缝干涉实验装置的狭缝，如果时间足够长，底片上将出现不太清晰的双缝干涉图样C．大量光子的运动规律显示出光的粒子性D．个别光子的运动显示出光的粒子性【解析】单个光子运动具有不确定性，大量光子落点的概率分布遵循一定规律，显示出光的波动性．使光子一个一个地通过双缝，如果时间足够长，底片上会出现明显的干涉图样，A正确，B、C错误；由光的波粒二象性知，个别光子的运动显示出光的粒子性，D正确．【答案】AD7．目前普遍认为，质子和中子都是由被称为u夸克和d夸克的两类夸克组成的，u夸克带电荷量为eq\f(2,3)e，d夸克的带电荷量为－eq\f(1,3)e，e为元电荷，那么质子是由____________个u夸克和________个d夸克组成的，中子是由________个u夸克和________个d夸克组成的．【解析】质子带电量为e，应由2个u夸克和1个d夸克组成，中子带电量为0，应由1个u夸克和2个d夸克组成．【答案】21128．估算运动员跑步时的德布罗意波长．为什么我们观察不到运动员的波动性？【解析】设运动员的质量m＝60kg，运动员跑步时速度约为v＝10m/s，则其德布罗意波长为：λ＝eq\f(h,p)＝eq\f(h,mv)＝eq\f(6.63×10－34,60×10)m≈1.1×10－36m.这个波长极短，因而观察不到运动员的波动性．【答案】见解析[能力提升]9．(多选)下列说法中正确的是()A．光的波粒二象性，就是由牛顿的微粒说和惠更斯的波动说组成的B．光的波粒二象性彻底推翻了麦克斯韦的光的电磁说C．光子说并没有否定光的电磁说，在光子能量ε＝hν中，频率ν表示波的特