物质波 量子力学基本原理课件.ppt

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1、同学们好！,旧量子论在经典理论框架中引入量子假设,是在经验基础上提出的一个半经典理论（semi-classical theory)，只能解决各局部领域的问题，还未构成完整的理论体系。,玻尔的量子论首次打开了人们认识原子结构的大门，为量子物理的建立奠定了坚实的基础。但仍然是经典物理加上量子条件的混合物，还是存在严重的缺点。,旧量子论,物理学发展面对这样的现实，需要有一个新的思想体系的诞生。这就是量子力学（从基本属性上研究微观粒子运动规律的一门科学）。,什么新思想？那就是对电子不能再看作经典粒子，必须赋予波动性。,路易.德布罗意(L.V.de Broglie,1892-1987),法国物理学家,量

2、子力学的建立,第十七章 量子力学基本原理,窗口：扫描隧道显微镜、纳米技术,结构框图,17.1 物质波假设及其实验验证,一.德布罗意物质波假设,1.自然界是对称统一的，光与实物粒子应该有 共同的本性。,无法用经典语言准确建立光的模型,光：既不是经典波，又不是经典粒子,用量子理论描述 光子,整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽视了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于粒子图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？德布罗意（L.V.de Broglie),先进的科学观念：自然界的对称性；对当时最有生命力的理论的把握：普朗克能量子理论，爱因斯坦光量子理

3、论在1924年的博士论文量子理论研究中，提出物质波概念，并获得1929年诺贝尔物理奖。,对称性：实物粒子 与 光 类比,2.对物质波的描述,1)与光子比较,设光子与电子的德布罗意波长均为，试比较其动量和能量大小是否相同。,又,注意：电子物质波波速 u 电子运动速率v,思考：,与 c 是自然界的极限速率不矛盾,2)物质波数量级概念,地球：,电子：,子弹：,宏观物质均太小，难以觉察其波动特性。,（2）,例：,二.实验验证,用德布罗意理论,与德布罗意物质波假设相符,2.汤姆孙实验,用电子束直接穿过厚10-8m的单/多晶膜，得到电子衍射照片,3.其它实验,*中性微观粒子，具有波粒二象性,1936年 中

4、子束衍射,1929年 斯特恩氢分子衍射,微观粒子的波粒二象性是得到实验证实的科学结论,1.波由粒子组成，波动性是粒子相互作用的次级效应,实验否定:电子一个个通过单缝，长时间积累也出现衍射效应,2.粒子由波组成，是不同频率的波叠加而成的“波包”,山重水复疑无路，柳暗花明又一村。一种崭新的观念和优美的数学方法 悄然而生,设想：,光强分布 光子落点概率分布,“光子波”概率波,物质波的强度分布反映实物粒子出现在空间各处的概率,4.微观粒子不同于经典粒子，也不同于经典波,微观粒子的运动具有不确定性，只能用物质波的强度作概率性描述，不遵从经典力学方程。借用经典物理量来描述微观客体时，必须对经典物理量的相互

5、关系和结合方式加以限制。其定量表达 海森伯不确定关系。,人们还在继续探索物质波的本质，但无论其物理实质是什么，物质波的强度代表着微观粒子在空间的概率分布已经是没有疑问的了。,17.2 不确定关系,一、位置与动量的不确定关系,位置不确定量：,电子如何进入中央明纹区的？,考虑次级明纹,物理意义：,1)微观粒子运动过程中，其坐标的不确定量与该方向上动量分量的不确定量相互制约。,与经典描述比较（以一维运动为例）,激发态E不稳定,三、不确定关系的物理实质,注意：不确定关系不是实验误差，不是由于理论不完善或仪器不准确引起的。,不确定关系是微观粒子波粒二象性的直接结果，是微观粒子的内禀属性。,该问题可用经典

6、力学处理，否则要用量子力学处理。,2.给出了宏观与微观物理世界的界限，经典粒子模型可应用的限度,不确定关系的本质含义是：任何一对广义动量 与广义坐标在理论上不可能同时具有确定值,量子力学中任何一对广义动量与广义坐标之乘 积都满足不确定关系,不确定关系只有在量子系统中才明显表现出来,说明：不能单纯以物理对象是否十分“微小”来判定该系统属于经典系统或量子系统，而必须依据其作用量是否与 相当来判定。,3.互补原理哥本哈根精神,宏观世界：可不计及“测量”对被测对象状态的影响。1)认为自然过程是连续的，原则上可把测量干扰连续减小，限制在所需的测量精度内。2)认为客体与仪器的相互作用服从因果决定论，可以估

7、算和控制干扰，修正测量值。,测量反映着客体、仪器和观察者的相互作用,微观世界：不能不计及测量行为产生的干扰。1)以“量子化”取代连续性，作用量子 h 的存在规定了干扰的下限，无法超越。2)以概率性描述取代“决定论”，使对测量的干扰不可控制，不可预测，不能校正。,量子现象不只属于被观测的客体，而是属于客体和仪器整体，反映的不仅仅是客体的存在和性质，而且是客体和仪器的“关系”。,不同的实验装置决定了不同的可测量，显示出客体某些方面的特性而抑制其它方面的特性,我们得出的各种结论不是互相排斥、对立的，而是互相补充协调的，共同揭示客体的属性。,微观客体的本来面目究竟如何？已超出经验范围，用经典概念和语言来描述只能是互补性的，不确定关系就是对互补原理的数学表述。,解：设光子沿 x 方向运动,由,又,解：,