实物波粒二象性不确定关系CH24-4.5.6.ppt

结构框图,要点：,15-4 德布罗意波 实物粒子的二象性,19 世纪后半期:光的干涉和衍射现象为光的波动性提供了有力的证明.廿世纪初，黑体辐射、光电效应、康普顿效应为光的粒子性（即：量子性）提供了有力的论据.,1923年到1924年间，光具有波粒二象性已被人们所理解和接受.,量子力学的的一个根本特点,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),1924年，德布罗意作出了实物粒子具有波动性的假设.以后人们把这种波称为“德布罗意波”又称“物质波”。,一.德布罗意波,1.自然界是对称统一的，光与实物粒子应该有共同的本性。,对称性：实物粒子 与 光 类比,实物粒子和光子一样，也具有波粒二象性。如果用能量 和动量 p 来表征实物粒子的粒子性，则可用频率 和波长 来表示实物粒子的波动性。,2. 对物质波的描述,简洁地把对粒子描述和对波的描述联系到一起,事实上德布罗意提出以上想法后，也没有被大家接受，直到他的导师朗之万将其论文的复制品交给爱因斯坦，爱因斯坦称赞他“揭开了大幕的一角”才引起学术界的重视，并研究如何从实验上去验证。,从经典物理看来，简直是荒谬和不可思议。德布罗意回忆说：“我当时只不过是一种想法，不过尚没有诞生，而且觉得这种想法不敢讲出去”。,这一假设建立了对实物粒子的一种新的图象，这种图象既允许它表现微粒性，又允许它表现出波动性。这种波称为“物质波”或“德布罗波”。,2) 物质波数量级概念,宏观物质均太小，难以觉察其波动特性。,地球,电子：,例15.9,当,当,由,当,或,例1：u1=100v; u2=10000v;,可以用晶体对电子的衍射来显示其波动性,检验德布罗意公式的正确性！,与x射线的波长相当,小结：德布罗意波长的计算,若已知粒子运动速度u，则,若已知粒子运动动能Ek，则,再代入,（VC）,设电子在rn轨道上运动，其物质 波一定是一驻波，（因只有驻波 是一稳定的振动状态，不辐射能 量）因而满足：,3）De Broglie关系式可解释玻尔氢原子理论的定态条件:,一些粒子的物质波波长,结论：（1）德布罗意波长大于微粒直径，则波动性显著 （2）德布罗意波长小于微粒直径，则波动性不显著.,二、物质波的实验验证,戴维孙、革末实验 1927年,实验结果： 加速电压： 散射角： 电子束强度极大,如果实验结果是由于电子衍射产生的，则应满足关系式：,镍单晶原子间距：,取 ，k =1,实验值,设电子在加速电压作用下的动量为p，质量为m。,电子的德布罗意波长：,结论：电子的德布罗意波长的理论计算值与实验值相吻合。,(理论值),G.P.汤姆逊电子衍射实验,600eV的电子束穿过铝箔形成的电子衍射花样， 与X射线（光子）穿过铝箔衍射图样一样。再次证实了电子的波动性.,3. 其它实验,1929年 斯特恩氢分子衍射,1961年 电子单缝、双缝、多缝衍射,1986年 证实固体中电子的波动性,微观粒子的波粒二象性是得到实验证实的科学结论,*中性微观粒子，具有波粒二象性,1936年 中子束衍射,例2 计算25时，慢中子的德布罗意波长。,解,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,例3,注意：电子物质波波速 u 电子运动速率V,与 c 是自然界的极限速率不矛盾,三 德布罗意波的统计解释,设想,不确定！,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,2. 微观粒子不同于经典粒子，也不同于经典波,电子的双缝衍射,微观粒子的运动具有不确定性，不遵从经典力学方程。只能用物质波的强度作概率性描述。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。,15.5 不确定关系,一、位置与动量的不确定关系,以电子束单缝衍射为例：,位置不确定量：,电子如何进入中央明纹区的？,考虑次级明纹,更一般的推导,1927年,例1子弹质量m=0.01kg，枪口的直径为0.5cm 计算子弹射出枪口时的横向速度,例2电子质量me=9.110-31千克，在原子中电子的 x10-10米，求原子中电子速度的不确定量。,结果表明：原子中电子速度的不确定量与速度本身的大 小可比，甚至还大。微观粒子的波粒二象性可用不确定 关系具体说明。,例3 氦氖激光器所发红光波长为 ， 谱 线宽度 求当这种光子沿X方向传播时，它的x坐标的不确定量多大？,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。,二. 时间和能量的不确定关系,粒子能量不确定量与其寿命的不确定量互相制约。,由,练习,激发态E不稳定,由,