第25章-量子力学基础.ppt
2019/3/11,1,浙江大学城市学院 黄 敏,Tel: 85787463 E-mail: Huangmzucc.edu.cn,大 学 物 理 University Physics,1900年普朗克提出了“能量子”概念。 1905年爱因斯坦提出了“光的量子性-光子”，并由此得出了光的波粒二象性。 1924年德布罗意提出了实物粒子波粒二象性假说，后为电子衍射实验所证实。 在德布罗意物质波假说的基础上，薛定谔建立了波动力学，海森堡则在测不准原理的基础上，建立了矩阵力学，后来发现它们可以统一为量子力学。,量子力学是描述微观系统运动规律的理论体系，它广泛应用于原子、分子、原子核物理及宏观物体微观结构的研究。,本章主要讲解两个方面问题： 1）德布罗意波（实物粒子的波粒二象性） 2）不确定性原理,德布罗意波,1924年，法国物理学家德布罗意在光的波粒二象性的启发下，从美学和自然界具有对称性考虑，提出了一个发人深省的问题：既然具有波动特性的光和电磁辐射同时具有粒子的性质，那么习惯上当作经典粒子处理的电子、质子、中子、原子分子等是否同样也具有波动性质？,因此，德布罗意大胆地提出：实物粒子（指静止质量不为零的那些微观粒子，如：电子、质子、中子、分子等）同样具有波粒二象性，一个能量为E、动量为P 的粒子同时也具有波动性，其波长为、频率为，这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波（或物质波）。,路易.德布罗意（Louis de Broglie， 18921987）出身于法国贵族家庭，是法国实验物理学家莫里斯.德布罗意的弟弟。早年对历史学研究感兴趣，并获得历史学学士。后来在他哥哥的影响下，逐渐对物理学发生了兴趣，进入巴黎大学攻读研究生，研究量子理论。 1924年，德布罗意在完成的博士论文中提出了德布罗意物质波的假说，五年后因这篇论文而获得1929年诺贝尔物理学奖。,迄今无法测量, 在德布罗意提出物质波假设3年后（即1927年），著名的戴维孙(C. J. Davisson) -革末(L. H. Germer)的电子衍射实验（电子在单晶镍表面散射）就证实了德布罗意物质波的存在。,德布罗意假设实验验证,戴维孙-革末电子散射实验(1927年)，观测到电子衍射现象,X射线,电子束,（波长相同）,Al粉末晶体上的衍射图样,电子双缝干涉图样,杨氏双缝干涉图样, 1927年，汤姆逊(G. P. Thomson)作了另一个多晶电子衍射实验（电子透射金箔）,衍射图象,1937年度的诺贝尔物理学奖授予G·P·汤姆逊与戴维逊，因为他们的电子衍射实验，证实了德布罗意物质波理论。,1929年埃斯特曼用氦原子束和氢分子束进行了衍射实验，1936年冯哈尔巴恩和普赖斯沃克获得了中子的衍射实验结果。这些实验结果都明确地显示了微观粒子具有与光波相同的波动性。,怎样理解物质波（德布罗意波）?,玻恩（M.Born）：德布罗意波并不像经典波那样是代表实在物理量的波动，而是描述粒子在空间的概率分布的“概率波”。,伴随实物粒子的波到底是什么样的波?,实物粒子具有粒子性,实物粒子具有波动性,矛 盾,?,电子数 N=7,电子数 N=100,电子数 N=3000,电子数 N=20000,电子数 N=70000,实验中单个电子撞击屏幕位置具有随机性,但大量电子撞击的统计结果,干涉图样是可以预期的。,出现概率小,出现概率大,70000,3000,20000,7个电子,100个电子,概率波的概念既能维护电子的粒子性, 又能体现电子的波动性. 玻恩由于他对波函数的统计解释及基础研究, 荣获了1954年诺贝尔物理学奖。,少女？,老妇？,两种图象不会 同时出现在你 的视觉中。,光具有波粒二象性,德布罗意波（或物质波）,【例题】设光子和电子的波长均为4纳米，试问：光子的动量与电子的动量之比是多少？光子的动能与电子的动能各是多少？,【例题】设光子和电子的波长均为4纳米，试问：光子的动量与电子的动量之比是多少？光子的动能与电子的动能各是多少？,本章主要讲解两个方面问题： 1）德布罗意波（实物粒子的波粒二象性） 2）不确定性原理,不确定性原理,在经典力学中，物体的运动遵循决定性的规律。这就是说，如果已知某一时刻物体的准确位置、动量以及物体的受力情况，由牛顿运动定律，即可求出物体在以后任一时刻的位置和动量，因此可以用运动轨迹来描述物体的运动。,那么，对于具有波粒二象性的微观粒子来说，经典理论是否还适用呢？我们是否还能在同一时刻确定其位置和动量呢？我们是否还能用“位置”和“动量”来描写微观粒子的运动状态吗？,在某些情况下，例如带电粒子在加速器中的运动，用经典的质点模型来处理问题，仍能得到相当满意的结果。,1927年春，海森堡在哥本哈根玻尔研究所看到云室中的电子轨迹是那么粗大，而电子本身并没有那么大，便思索如何解释云室中的电子轨迹问题。他觉得也许是电子的位置具有某种不确定性？经过分析发现，微观粒子的动量和位置坐标不能同时准确地确定，它们的不确定量的乘积，约为普朗克常数的数量级。,海森伯测不准原理（不确定性关系）,海森伯测不准关系表明：微观粒子的位置和动量是不可能同时准确地确定的。若粒子的位置能准确测定，我们将无法知道它将朝什么方向运动；若粒子的动量能准确测定，我们就将不可能确切测准此时刻它究竟处于什么位置。,海森伯测不准关系是建立在实物粒子波粒二象性基础上的一条客观规律，它是实物粒子波粒二象性的深刻反映，也是对实物粒子波粒二象性的进一步描述。换言之，测不准关系是由物质本身固有的特性所决定的，而不是由于仪器或测量方法的缺陷所造成的。,THE END,
