原子物理学ch3-part1新

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,3/29/2014,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,3/29/2014,#,第三章,第三章,量子力学导论,内容：,1,、,玻尔理论的困难,2,、,波粒二象性,3,、不确定关系,4,、波函数及统计解释,5,、薛定谔方程,重点：,波粒二象性及不确定关系；波函数及,其统计解释；薛定谔方程,6,、平均值与算符*,7,、氢原子的薛定谔方程解*,History,Old Quantum theory,1900Planck,1905Einstein(Compton),1913Bohr,1925Pauli,Ulenbeck,Goudsmith,New Quantum theory,1924,de Broglie,1925-1928Heisenburg,Born,Schrodinger,Dirac,1900,年，普朗克，黑体辐射，谐振子能量量子化,1913,年，玻尔，氢原子光谱，量子态,1925,年，海森堡、玻恩、约旦，狄拉克 矩阵力学,1926,年，薛定谔 波动力学,1927,年，海森堡 不确定关系,1924,年，德布罗意，物质波假说,发展简介,1905,年，爱因斯坦，光电效应，光量子,De Broglie,W Heisenberg,E Schroedinger,PAM Dirac,11,玻尔理论的困难,定态到底为什么不能辐射,?,态的寿命？,从现在开始要抛弃（玻尔）电子固定轨道的概念，要开始用统计的观点！,Rutherford:,“跃迁时，电子必须事先知道它要往哪里跳，才知道该吸收哪个能量的光；但是不吸收光，又怎么知道末态的情况”,逻辑循环,跃迁的来源、几率？,Schrodinger,：,“,糟透的跃迁”,电子在跃迁中在哪里？,跃迁过程之细节？,12,波粒两象性,思想方法,自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类比的方法提出物质波的假设,.,“,整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法；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的图象想得太多 ，而过分地忽略了波的图象呢？”,法国物理学家德布罗意,（,Louis Victor de Broglie 1892 1987),Wave-particle duality,用拍来测量一个波的波长（与已知的波拍）,(1),经典物理中的波和粒子,要无限精确地测准频率（波长），就需要花费无穷长的时间（空间）！,粒子具有完全的定域性，而波是空间无限扩展的。,2,l,l,n,l,n,D,=,D,=,c,c,2,l,l,D,D,x,得到,D,=,D,t,c,x,其间，波走过了,1,1,n,n,D,D,D,D,t,t,或,观测到一个拍所需要的时间是,(2),光的波粒二象性,描述光的,粒子性,描述光的,波动性,光子,相对论能量和动量关系,（,2,）,粒子性：,（光电效应等）,（,1,）,波动性：,光的干涉和衍射,（,3,）,德布罗意假设,（,1924,年,）,德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性,.,德布罗意公式,2,）宏观物体的德布罗意波长小到实验难以测量的程度，因此宏观物体仅表现出粒子性,.,注 意,1,）若 则,若 则,例,在一束电子中，电子的动能为 ，求此电子的德布罗意波长,？,解,此波长的数量级与,X,射线波长的数量级相当,.,（,4,）,德布罗意波的实验证明：,戴维孙,革末电子衍射实验（,1927,年）,德布罗意的方程三年后通过两个独立的电子散射实验被证实于电子（具有静止质量）身上。在贝尔实验室,Clinton Joseph Davisson,和,Lester Halbert Germer,以,低速电子束射向镍单晶获得电子经单晶衍射,，测得电子的波长与德布罗意公式一致。在阿伯丁大学，,George Paget Thomson,以高速电子穿过多晶金属箔获得类似,X,射线在多晶上产生的衍射花纹,，确凿证实了电子的波动性；以后又有其他实验观测到氦原子、氢分子以及中子 的衍射现象，微观粒子的波动性已被广泛地证实。根据微观粒子波动性发展起来的电子显微镜、电子衍射技术和中子衍射技术已成为探测物质微观结构和晶体结构分 析的有力手段。,德布罗意于,1929,年因为这个假设获得了诺贝尔物理学奖。,Thomson,和,Davisson,因为他们的实验工作共享了,1937,年诺贝尔物理学奖。,1927,年，戴维逊和革末，电子衍射实验，测量了电子波的波长，证实了德布罗意假设。,1,实验装置,一、戴维逊,-,革末实验,2,实验结果,(1),当,U,不变时，,I,与,的关系如图,不同的,，,I,不同；在有的,上将出现极值。,(2),当,不变时，,I,与,U,的关系如图,当,U,改变时，,I,亦变；而且随了,U,周期性的,变化,3,实验解释,晶体结构：,当,时加强,-,布拉格公式。,波程差：,两相邻晶面电子束反射射线干涉加强条件,可见，当,、,满足此式时，测得电流的极大值。,当 时，与实验结果相近,.,镍晶体,电子波的波长,See P.81,Fig.12.6,实验证明了电子确实具有波动性，也证明了德布罗意,公式的正确性。并进一步证明：,一切实物粒子,(,电子、,中子、质子等）都具有波动性,。,对于通过电压,U,加速的,电子,：,当,U,不变时，改变,，可使某一,满足上式，出现极大值,当,不变时，改变,U,，可使某一,U,满足上式，出现极大值。,二、,G.P.,汤姆逊实验,1927,年英国物理学家,G.P.,汤姆逊做了电子通过金多晶薄膜的衍射实验,1929,年 德布罗意获诺贝尔物理奖。,1937,年 戴维逊 与,G.P.,汤姆逊获诺贝尔物理奖。,三、约恩逊实验,1961,年,C.J,nsson,运用铜箔中形成的,2-5,条细缝得到了电子的多缝干涉图样。,1930,年艾斯特曼,(Estermann),、斯特恩,(Stern),、和他们的同事们证实了普通原子具有波动性。,后来实验又验证了质子、中子等实物粒子都具有波动性。,四、其它实验,五、微观粒子波动性的应用,1933,年，德国的,E.Ruska,和,Knoll,等人研制成功第一台电子显微镜。,1982,年，,IBM,的,G.Binnig,和,H.Rohrer,研制成功第一台隧道扫描显微镜（,STM,）。,鲁斯卡：电子物理领域的基础研究工作，设计出世界上第一台电子显微镜，,1986,诺贝尔物理学奖,1986,诺贝尔物理学奖,宾尼：设计出扫描式隧道效应显微镜,1986,诺贝尔物理学奖,罗雷尔：设计出扫描式隧道效应显微镜,例,BEC,（波色爱因斯坦凝聚）,:,when do atoms behave like waves?,Qualitatively,a gas at high temperature should behave classically,with each,atom behaving like a point particle with a well-defined position and momentum.,At low temperature,the atoms are best described as matter wavepackets,whose size is set by the deBroglie wavelength,：,When the atomic wavepackets start to overlap in position,（,n,3,1,）,the quantum,statistics of the atoms becomes important.,（,5,）德布罗意波和量子态,从,德布罗意波导出氢原子玻尔理论中角动量量子化条件,.,两端固定的弦，若其长度等于波长则可形成稳定的驻波,.,将弦弯曲成圆时,电子绕核运动其德布罗意波长为,角动量量子化条件,（,6,）一个在刚性匣中的粒子,就氢原子做一估算,（,7,）波和非定域性,波的特性之一是，它在空间上可以是无限扩展的，这就是,波的非定域性,。由于这个特性，若要将一个波关在匣子中，这个匣子的线度至少需有半个波长,/2,。,从,德布罗意波的观点看，玻尔的氢原子实际上就是一个德布罗意波被关在库仑势场中的情况。,动能,总能量,类似的，从,nL,=,N,/2,可以导出：,可透过光腔的频率,是,c,/2,nL,的整数倍。,禁闭的波（驻波条件；此波为波函数而非经典波）必然导出量子化条件；,把波和粒子联系起来（德布罗意关系）就得到粒子能量的量子化！,并且得到基态能：,得到,13,不确定关系,光子的不确定性,按照经典波动理论，约束在空间某区域内的波不可能是单色的,不可能具有唯一的波长。,这一结论对物质波同样正确：被束缚在某区域的粒子不可能具有确定的动量，即粒子的坐标和动量不能同时取确定值，存在一个,不确定关系。,海森堡（,W.Heisenberg,）在,1927,年发表了著名的位置,动量不确定关系,一、位置,动量不确定关系,(1),不确定关系的表述和含义,不限制电子坐标时，动量可以取确定值。,对坐标,x,测量得越精确（,x,越小），动量不确定性,p,x,就越大,(,衍射越厉害,),。,电子的坐标和动量不能同时确定。,严格的不确定性关系应该是：,(2),不确定关系的简单推导,从经典波动概念出发，利用上节导出的关系式,加入德布罗意关系,l,=,h,/,p,得,代入前式，知,或改写为,即得,同样将,n,=,E,/,h,和,l,=,h,/,p,代入前式可得,一级最小衍射角,电子经过缝时的,位置,不确定,.,电子经过缝后,x,方向动量不确定,用电子衍射说明不确定关系,电子的单缝衍射实验,考虑衍射次级有,电子的单缝衍射,(1961,年，约恩逊成功的做出,),狭缝对电子束起了两种作用：一是将它的坐标限制在缝,宽,d,的范围内，一是使电子在,坐标方向上,的动量发生了,变化。这两种作用是相伴出现的，,不可能,既限制了电子,的坐标，又能避免动量发生变化。,如果缝愈窄，即坐标愈确定，则在坐标方向上的动量,就愈不确定。因此，微观粒子的坐标和动量不能同时有,确定的值。,解,子弹的动量,例,1,一颗质量为,10 g,的子弹，具有 的速率,.,若其动量的不确定范围为动量的,0.01%,(,这在宏观范围是十分精确的,),则该子弹位置的不确定量范围为多大,?,动量的不确定范围,位置的不确定量范围,例,2,一电子具有 的速率,动量的不确范围为动量的,0.01%,(,这也是足够精确的了,),则该电子的位置不确定范围有多大,?,解,电子的动量,动量的不确定范围,位置的不确定量范围,不确定关系适用于微观粒子,例,3,用动量、位置不确定性关系解释如下现象,用凸透镜对光进行聚焦时，透镜的半径越大，,聚焦的光斑越小,2.,透镜的焦距越小，聚焦的光斑越小,3.,镜头沉浸在大折射率的油中可提高分辨率,4.,用波长比较短的光成像时分辨率高,5.,电子显微镜的分辨能力比光学显微镜高,将激光光子位置,-,动量不确定性关系,二、能量和时间的不确定关系,同样可得粒子处于某状态的能量和时间的不确定性关系,变为,也可从,直接导出,可以解释为什么原子谱线自然宽度,谱线宽度：,与实验测量结果吻合！,原子基态寿命无穷长，基态有确定的能量值。,例,原子在激发态的寿命为,10,-8,s,，,由,不确定关系,P.91,应用举例,(3),应用举例,1944,，,1952,核磁共振技术,Rabi,Purcell,B,loch,1955,氢原子精细光谱,Lamb,1989,Ramsey,谱方法,和原子钟应用,“Passion for precision”,2005,年诺贝尔,物理学奖,1997,2001,2005,“Passion for precision”,What do you need for precision spectroscopy?,1.Narrow bandwidth resonance,2.Large signal-to-noise ratio,detuning,0,detuning,0,n,S,Maximum sensitivity,Standard,quantum limit,N,:atom number;,T,:measurement time,:coherence lifetime,的另一种表现方式：,是能量的测量误差,是测量时间,用来定性理解光腔的谐振曲线,腔越长，,R,越大，,光子在腔内的寿命越长，腔的谐振谱越窄。,Formal expression of cavity resonance linewidth:,c/2nL/F,where F is the cavity Finesse.,F=4R/(1-R)2;R is cavity mirror reflectivity,能量和时间的不确定关系,微观粒子同一方向上的坐标与动量不可同时准确测量,它们的精度存在一个终极的不可逾越的限制。,不确定性的物理根源是粒子的波动性。,说明,不确定性与测量没有关系，是微观粒子波粒二象性的体现。,对,宏观,粒子，因 很小，所以,可视为位置和动量,能同时,准确测量。,不确定性关系限定了使用经典语言的范围和度。,少女？,老妇？,两种图象不会同时出现在你的视觉中。,互补原理,p.93,思考题,1,，,2,但是,有没有一种终极理论？,会不会有一个高维度的文明？,(4),互补原理,好量子数,显然根据不确定关系，位置和动量已经不能很好地描述粒子的状态，即我们无法用经典图像去解释为何动量能够瞬时改变。因此对于一个波包，我们称位置和动量已经不是好量子数，而是用其他可以确定描述，有定值的“好量子数”来描述体系，如,n,l,m,等,此类难题，在,Born,的统计解释和薛定谔方程出来之后可以更加自洽地理解。,14,波函数及其统计解释,经典,粒子,不被分割的整体，有确定位置和运动轨道,；,决定论，严格的因果律。,经典,的波,某种实际的物理量的空间分布作周期性的变化，波具有相干叠加性,。,二象性,要求将波和粒子两种对立的属性统一到同一物体上，必须采用几率性的观点（量子力学的哥本哈根解释）。,一 波函数 概率密度,1,）,经典的波与波函数,电磁波,机械波,经典波为,实,函数,（,1,）,波粒二象性,及概率概念,电磁波,从光子的角度出发,电磁波的经典理论,假设有,因此,反映了光子到达的平均数（几率概念）,既然粒子具有波动性，应该有描述波动性的函数,波函数,。,奥地利物理学家薛定谔（,E,Schrodinger,，,1887,1961,）,1925,年提出用波函数,(,r,t,),描述粒子运动状态。,按德布罗意假设：能量,E,、动量,p,的“自由粒子”沿,x,方向运动,对应的,物质波应为“单色平面波”：,2,）,量子力学波函数（,复函数,）,0,为待定常数,或由关系数,可将波函数改写为,若粒子为三维自由运动,，,波函数可表示为,微观粒子的,波粒二象性,自由,粒子能量 和动量 是,确定,的，其德布罗意频率和波长均不变，可认为它是一,平面,单色波,.,平面单色波波列,无限长,，根据不确定原理，粒子在,x,方向上的位置,完全不,确定,.,自由,粒子平面波函数,波函数的物理意义是什么？粒子的什么性质在波动？,经典力学,位置和速度 量子力学,波函数,波函数体现了波粒二象性，其中的,E,和 是描写粒子性,的物理量，却处在一个描写波的函数中。,二、波函数的统计解释,对应粒子波动性的波函数作为一个重要的新概念登上量子力学舞台后，其本身的物理意义却模糊不清，使许多物理学家感到迷惑不解而大伤脑筋。,爱因斯坦为了解释光粒子（光量子或光子）和波的二象性，把光波的强度解释为光子出现的几率密度。,玻恩,(,M,Born,，,1882,1970),在这个观念的启发下，马上将其推广到,函数上。,1926,年玻恩提出,德布罗意波是,概率,波,.,|,2,必须是电子（或其它粒子）的几率密度,”,。,1954,年，,玻恩获诺贝尔物理奖。,（,t,）,的物理意义在于：,波函数的模的平方（波的强度）代表时刻,t,、在空间 点处，,单位体积元中微观粒子出现的概率,。,统计解释：,在某处德布罗意波的强度是与粒子在该处邻近出现的概率成正比的,.,概率概念的哲学意义：,在已知给定条件下，不可能精确地预知结果，只能预言某些可能的结果的概率,.,1.,波恩的波函数几率解释是量子力学基本原理之一,2.,经典波振幅是可测量，而波函数是不可测量，可测是几率,不同于经典波的波函数，它无直接的物理意义。,有意义的是,对单个粒子，,给出,粒子的概率分布密度,；,对,N,个粒子，,给出,粒子数的分布密度,。,在时刻,t,、空间,点处，体积元,d,V,中发现微观粒子,的概率为：,对,N,粒子系，在体积元,d,V,中发现的粒子数为,说明：,1.,波函数应满足的条件,1.,自然条件：单值、有限和连续,2.,归一化条件,粒子出现在,d,V,体积内的几率为：,粒子在空间各点的概率总和应为,l,，,让入射电子几乎一个一个地通过单缝,随着电子数增大，逐渐形成衍射图样,衍射图样来源于“单个电子”所具有的波动性,统计规律。,底片上出现一个一个的点子，开始时点子无规则分布,说明,电子具有“粒子性”，但不满足经典的决定论。,一个电子重复许多次相同实验表现出的统计结果。,是自己与自己干涉,例,用几率波说明,弱电子流单,缝衍射,数百个电子,少数几个电子,数万个电子,德布罗意波（物质波）也称为,概率波,。,单缝、双缝干涉实验在,1961,年前是假想实验,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,出现概率小,出现概率大,电子双缝干涉图样,（,2,）,双缝干涉实验,电子与其自身干涉，可形成与光的杨氏双缝干涉一样的条纹。,但加有探测电子具体从哪条路径走的手段存在时，干涉消失了，因为它不能与“自己”从另一条路径走的过程干涉了。,把光减弱，探测不到足够的电子。,把波长增大，则不能判断电子从哪条缝出来。,“观察效应”使得干涉消失，不可避免。,费曼：,这些实验，都是用任何经典方法所绝对不能解释的，但是，量子力学的核心正是包含在这些实验之中。,（,3,）,态叠加原理,微观世界，事件概率,亦称概率幅,从初态,i,到末态,f,的跃迁概率,服从的规则：,一、,i,f,间的跃迁概率幅应是各种可能发生的跃迁概率幅之和：,二、,如果知道跃迁到任意一末态的概率，那么跃迁概率,|,|,2,等于到达各种末态的跃迁概率之和：,三、,如果从,i,态到,f,态的跃迁必须经过某一中间态,v,，那么总的跃迁概率幅等于分段概率幅之积：,四、,如果有两个独立的微观粒子组成以体系，并且两粒子同时发生了两个跃迁，那么体系的跃迁概率幅等于个别粒子的跃迁概率幅之乘积：,（,4,）,干涉实验的解释,假定一电子从初态,S,出发，经过开有双缝,1,和,2,的墙,(,相当于中间,态,1,和,2,),，最后被记录在屏幕上，末态为,x,。,1.,只打开缝,1,，关闭缝,2,，依,规则三,电子在,x,处记录的概率,I,1,(,x,),为,2.,关闭缝,1,，打开缝,2,，有,3.,双缝齐开,，因无法区分电子究竟从哪个缝通过，必须利用,规则一,，因而,那时，跃迁概率为,正是后两项,(,干涉项,),引起了干涉图样。,如果考虑从,P,发出的光子波长很长，不论在哪个缝与电子散射，光都可被,D,1,或,D,2,测到，即此时光子不能“检察”电子究竟从哪个缝通过。对于电子，有两个概率幅,对于光子，从对称性考虑，有,（前图中的虚线）,（前图中从,P,发出的实线）,先求电子在,x,处被记录，同时光子在,D,1,被记录的概率幅。这个过程包括,两个不可区别的过程,：依,规则四,第一个过程，电子从缝,1,通过到达,x,，概率幅为,=,j,1,，同时，光子在,1,附近与电子散射而到达,D,1,，概率幅为,=,y,1,，整个过程的概率幅，依,规则四,应为,第二个可能的过程，电子从缝,2,通过后到达,x,，概率幅为,同时，光子在,2,附近与电子散射而到达,D,1,，概率幅为,整个过程的概率幅应为,依,规则一,，,x,处记录电子，,D,1,同时记录光子的概率幅为,类似，,x,处记录电子，,D,2,同时记录光子的概率幅为,于是，在,x,处记录电子、不管哪个探测器记录光子的概率为,(,规则二,),将前两式代入上式后，可得,（一般情况）,式中第二项明显地反映了,干涉效应,，这是在光子不能“检察”电子走向的情况下得到的结果。,假如使光子相应的波长变短，以致在缝,1,处与电子散射的光子,D,2,的概率大为减少，即,y,2,下降，从上式可知，干涉项即变小；当,y,2,=0,时，干涉项完全消失，那时,再也看不到干涉图样。即，,要把电子的走向区分出来，就必然失去了干涉项效应。,（完全可以区分）,当,y,1,=,y,2,时，有,（完全不可以区分）,说明,1,、电子的干涉、衍射与经典波的干涉、衍射等没有任何关系，仅数学形式上相同。,（否则不能解释干涉条纹因观察而消失）,2,、是概率幅相加，而不是概率相加。,3,、两个概率幅或波函数相加，不形成新态。,并不形成新的状态,两个量子波,(,更确切的说法是,两个,概率幅,),和 的态叠加,在双缝干涉实验中，是一个电子的两个态的叠加，干涉是自己与自己的干涉，绝不是两个电子的干涉。,量子力学中态的叠加导致在态叠加下测量结果的不确定性。,（,5,）评注,1.,粒子性,指它与物质相互作用的,“,整体性,”,。但不是经典的粒子，因为微观粒子没有确定的轨道。,2.,波动性,“,弥散性,”,、,“,可叠加性,”,、,“,干涉,”,、,“,衍射,”,。不是经典的波，并不对应某真实物理量的波动。,3.,在一些情况下，实物粒子突出显示出其粒子特性；而在另一些情况下，则突出显示出波动特性,即波粒二象性。,“,波动性,”,与,“,粒子性,”,的联系,玻恩统计解释。,如何,理解微观粒子的波粒二象性,量子物理与经典物理的区别,1.,量子物理,的基本规律是,统计规律,，而,经典物理,的基本规律是,决定论,、严格的,因果律,。,哥本哈根学派更认为：大自然的一切规律都是统计性的，经典因果律只是统计规律的极限。,2.,量子物理的统计规律与经典物理中熟知的统计规律,截然不同,。在,经典物理,中，“,概率,”是统计规律的关键概念；而在,量子物理,中，“,概率幅,”才是最核心的概念。,在经典物理中，根本的规律是决定论，统计规律只是对待多粒子体系的一种方法、一种工具、一种权宜之计，而在量子物理中，根本规律就是统计规律，,个别粒子都体现出统计属性。,4.,关于量子力学的争论,以玻尔为首，包括,海森堡、狄拉克、玻恩,的哥本哈根学派：宇宙中事物偶然性是根本的，必然性是偶然性的平均表现。,以爱因斯坦为首，包括薛定谔、德布罗意学派：自然规律根本上是决定论的。,“,上帝肯定不是用掷骰子来决定电子应如何运动的！,”,“,God does not play dice”,备注,Einstein:,不相信单个电子的运动是不确定的，可以设计更精确的实验仪器解决。,Bohr:,所有粒子的不确定性是原则的、本性的。,Einstein:,我不相信上帝会玩骰子。,Bohr:,不要指挥上帝去做什么。,Einstein-Bohr,争论（,1927-1955,）,Einstein:,按照电子的衍射，某一电子落在何处与前一个电子落在何处有关，这是不可能的。,Bohr:,不是前后电子之间相互影响，而是单个电 子的运动具有不确定性。,在,1927,年,Solvey,会议上：,薛定谔的猫,尽管量子论的诞生已经过了一个世纪，其辉煌鼎盛与繁荣也过了半个世纪。但是量子理论曾经引起的困惑至今仍困惑着人们。正如,玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑，那他一定没听懂。”,薛定谔的猫就是诸多量子困惑中有代表性的一个。,薛定谔在年发表了一篇论文，题为,量子力学的现状,，在论文的第节，描述了那个常被视为恶梦的猫实验：哥本哈根派说，没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子，它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察，它便处于衰变不衰变的叠加状态中，只有确实地测量了，它才随机选择一种状态而出现。那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。,薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，,一只可怜的雌猫（以引起更多怜悯）被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出,粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，雌猫必死无疑。这个残忍的装置由薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。,自然的推论：当它们都被锁在箱子里时，因为我们没有观察，所以那个原子处在衰变不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定，只有当我们打开箱子察看，事情才最终定论：要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是，它和我们的原子一样处在叠加态，这只猫当时陷于一种死活的混合。,一只猫同时又是死的又是活的？它处在不死不活的叠加态？这未免和常识太过冲突，同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫，那么要是它能说话，它会不会描述那种死活叠加的奇异感受？恐怕不可能。换言之，薛定谔猫概念的提出是为了解决爱因斯坦的相对论所带来的祖母悖论，即平行宇宙之说。,解释之一,原子核的衰变是随机事件，物理学家所能精确知道的只是半衰期,衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天，则过一天，该元素就少了一半，再过一天，就少了剩下的一半。但是，物理学家却无法知道，它在什么时候衰变，上午，还是下午。当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的几率,也就是雌猫在上午或者下午死亡的几率。,如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定，雌猫或者死，或者活。这是她的两种本征态。但是，如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，她处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道雌猫是死是活。此时，猫的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。,量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道雌猫是死是活，她将永远到处于半死不活的叠加态。这与我们的日常经验严重相违，要么死，要么活，怎么可能不死不活，半死半活？,薛定谔挖苦说：按照量子力学的解释，箱中之猫处于“死活叠加态”,既死了又活着！要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。（请注意！不是发现而是决定，仅仅看一眼就足以致命！）正像哈姆雷特王子所说：“生存，还是毁灭，这可真是一个问题。”只有当你打开盒子的时候，迭加态突然结束（在数学术语就是“坍缩（,collapse,）”），哈姆雷特王子的犹豫才终于结束，我们知道了猫的确定态：死，或者活。哥本哈根的几率诠释的优点是：只出现一个结果，这与我们观测到的结果相符合。,但是有一个大的问题：它要求波函数突然坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此，长期以来物理学家们出于实用主义的考虑，还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价是：违反了薛定谔方程。这就难怪薛定谔一直耿耿于怀了。,Jokes,15,薛定谔方程,薛定谔方程是非相对论微观粒子的基本方程,-,量子力学基本假设,地位同经典物理的牛顿定律,薛定谔,Erwin Schrodinger,奥地利人,1887-1961,创立量子力学,获,1933,年诺贝尔物理学奖,.,量子力学,建立于,1923 1927,年间，两个等价的理论,矩阵,力学和,波动,力学。,薛定谔,在德布罗意波的概念基础上，,1926,年建立了以薛定谔方程为基础的波动力学，并建立了量子力学的近似方法。,相对论量子力学,（,1928,年，狄拉克）：描述高速运动的粒子的波动方程。,按照经典波动理论，波动的物理量满足如下形式的波动方程：,V,为波速,物质波的,波动方程是什么？,德布洛意关于电子波动性的假设传到苏黎士后，德拜,(P.Debye,，,The Nobel Prize in Chemistry 1936),说，“一个没有波动方程的波动理论太肤浅了！”。在一周后聚会时薛定谔说：“我找到了一个波动方程！”。,量子力学中的基本动力学方程。,（,1,）薛定谔方程的建立,自由粒子波函数,对波函数微分得,能量算符,动量算符,自由粒子的薛定谔方程,由,和,把自由粒子,运动,算符推广到非自由粒子运动，粒子所处的势场为,U,(,x,t,),，,粒子的能量,薛定谔方程变为,这就是,含时,薛定谔方程,称为哈密顿算符，则,令,推广到,三维势场,U,(,r,t,),中,令,薛定谔方程,形式不变,哈密顿算符,变为,（,2,）定态薛定谔方程,若微观粒子处在稳定的势场中，则,势能函数,U,与时间无关,，称这类问题为,定态问题,。,自由运动粒子,例如：,氢原子中的电子,此时，哈密顿算,符与时间无关，,薛定谔方程可用,分离变量,法求解：波函数,可以分离为空间坐标函数和时间函数的乘积。,设,可得只含变量,t,和,只含,变量,r,的,两个方程,：,1.,方程（,1,）是,关于,变量为,t,的微分方程,，,解为：,时间振动因子,2.,方程（,2,）是关于变量为,x、y、z,的微分方程：,称为,定态薛定谔方程,，又称为,能量算符的本征方程,其解,(,x,y,z,),与粒子所处的外力场,U,和边界条件,有关,。,3.,波函数是以上两部分的乘积,粒子出现在空间的几率与时间无关,定态,粒子出现在空间的几率：,可见，定态问题最后归结为求解定态,薛定谔,方程。,在,三维,势场中运动粒子的,定态,薛定谔方程,拉普拉斯算子,定态,薛定谔方程,定态,波函数,波函数的,标准条件,：,单值,的，,有限,的和,连续,的,.,1,）,可归一化,;,2,）,和 连续,;,3,）,为有限的、单值函数,.,1,）,能量,E,不随时间变化；,2,）,概率密度 不随时间变化,.,定态波函数性质,薛定谔方程的讨论,2,薛定谔方程是量子力学的基本方程，它不能从更基,本的假设中推导出来。而是依据实验事实和基本假定“,建立,”的，是否正确则由实验结果检验。,1,薛定谔方程描述了微观粒子的运动状态 在势场,中随时间变化 的规律。,3,具体的势场,决定粒子状态变化的情况，如果,给出势能函数的具体形式，只要我们知道了,微观粒子,初始时刻的状态,。,原则上说，只要通过薛定,谔方程，就可以求出任意时刻的状态,。,4,薛定谔方程中有虚数单位,i,，所以,一般是复数,形式。表示概率波，是表示粒子在时刻,t,、,在空间某处出现的,概率,。因而薛定谔方程所描述的状态,随时间变化的规律，是一种,统计规律,。,5,在薛定谔方程的建立中，应用了,，所,以,是,非相对论的结果,；同时方程不适合一切,的粒子，这是方程的局限性。,如果,是方程的解，,那么它们的的线性组合,也是方程的解，,为任意常数。,即如果,是体系可能的状态，,那么它们的的线性组合,也是体系一个可能的状态。,6,.,态迭加原理,确定粒子的,哈密顿量；,在全空间写出粒子的能量本征方程；,利用波函数的自然条件确定确定能量本征值和波函数。,步骤：,处理的问题：,势阱中的粒子,粒子被束缚在某势场中；,势垒对粒子的散射,自由粒子入射到某势场中。,（,3,）应用举例。,例,1,：一个粒子在如图所示的势场中运动，它的势能为,这种势场称为一维无限深势阱。在一维无限深势阱中粒子如何运动？它的波函数如何？能量如何？,解：,由于粒子做一维运动，所以有,由于势能,中不显含时间，故用定态薛定谔方程求解。,方程的解为定态解,因此一维定态薛定谔方程为,例一：一维无限深势阱,波函数的,标准条件：,单值、有限和连续,.,用来确定,常数及得到能量量子化。,量子数,基态,能量,激发态,能量,一维无限深方势阱中粒子的,能量,是,量子化,的,.,归一化,条件,量子数,概率密度,能量,波动方程,量子数,波函数,讨论：对应原理,在某些,极限,的条件下，量子规律可以,转化,为经典规律,.,势阱中相邻,能级,之,差,能量,能级,相对,间隔,当 时，能量视为,连续,变化,.,例：,电子在,的势阱中,.,（,近似于连续,）,当 时,（,能量分立,）,当 很大时，量子效应不明显，能量可视为,连续,变化，此即与,经典对应,.,物理意义,例二：一维有限势阱,金属中的电子,方势阱,分子束缚在箱子内,三维方势阱,是实际情况的极端化和简化,粒子在势阱中的运动，是一种较为常见的现象；金属中的自由电子在各晶格结点,(,正离子,),形成的“周期场”中运动，它们不会自发地逃出金属，简化这个模型，可以粗略地认为粒子被无限高的势能壁束缚在金属之中。,氢原子中的电子就是在三维库仑势阱中运动，不过“阱壁”不是直立的，而是按,-1/,r,分布。近来，人们设计制作了一种具有“量子阱”的半导体器件，它具有介观,(,介于宏观与微观,),尺寸的势阱，阱宽约在,10nm,上下。这种材料具有若干特性，已用于制造半导体激光器、光电检测器、双稳态器件等。,在阱内,在阱外,体系满足的薛定谔方程是,其中,一维有限深势阱,阱外方程的解是指数函数，由波函数的有限条件，可得,在,E,V,d,的情况下，按经典物理的观点，粒子绝不可能跑到阱外；但在量子力学中，粒子有一定的概率出现在阱外。,例三、一维散射问题,粒子以确定能量,E,从远处入射到某给定势场中，确定粒子的波函数和位置分布。,1.矩形台阶势垒,实际金属中的电子在表面处遇到的势是有限高的：,E,U,0,时，粒子可以,进入,x,0,区；,当,E,0,区，在垒壁处粒子被反弹回,x,U,0,EE,（总能量）区域。,经典理论：因为粒子的动能不可能小于零，所以粒子不能进入,U,E,（总能量）区域。,2.,隧道效应（势垒贯穿）,自由粒子处遇到的势是有限高和有限宽的势垒：,Ea,的区域,所以人们形象地称之为,隧道效应,隧道效应的本质,:,来源于微观粒子的波粒二象性,.,利用量子隧道效应，可以解释许多现象，放射性原子核的,a,粒子衰变现象就是一种隧道效应,.,热核反应所释放的核能是两个带正电的核，如,2,H,和,3,H,，聚合时产生的,.,隧道效应在高新技术也有着广泛的重要应用。例如，隧道二极管就是通过控制势垒高度，利用电子的隧道效应制成的微电子器件，它具有极快,(5ps,以内,),的开关速度，被广泛地用于需要快速响应过程。,上式可以看出，势垒厚度,a,越大，粒子通过的几率越小；粒子的能量,E,越大，则穿透几率也越大，两者呈指数关系。例，一粒子质量为,1kg,，势垒的厚度,a,10cm,，,V,0,-,E,=1eV,，穿透几率约为,10,-24,，几乎不能穿透。这说明对宏观物体来说，即便是总能量比势垒仅少,1eV,，其量子效应也是极其不明显的。对电子而言，,m,e,10,-31,kg,，,V,0,-,E,=1eV,，,a,10,-8,cm,，大体求得穿透几率为,e,-0.1,0.9(,一般情况下，穿透几率是比较小的,),，隧道效应就变得十分明显了。,经典,量子,设法在一个导体针尖顶端再制备一个由少量原子组成的小尖端,.,此针尖距待测平面非常近，约,1nm,量级。在一般情况下，金属或介质中的电子，不能自由逸出表面，因为它的能量低于表面外的空间的势能,(,零,),。而现在针尖与待测物之间距离极近，这空隙相当于一个高度有限而宽度很小的势垒。在针尖与平面间加一个小于几伏的电压，在这电压下，针尖中的电子还不能越过,“,空隙,”,这一势垒进入平面，但有一定的概率穿越势垒，形成,“,隧道电流,”,。隧道电流的大小对势垒宽度,(,针尖到平面的距离,),的变化非常敏感。当针尖沿平面扫描时，通过隧道电流的变化，便能描绘出平面高低变化的轮廓。这种方法的分辨率极高，其横向分辨率达,0.1nm,纵向为,0.01nm,，可分辨出单个原子，目前,STM,已可直接绘出表面的三维图象。,STM,技术不仅可用来进行材料的表面分析，直接观察表面缺陷，还可利用,STM,针尖对原子和分子进行操纵和移动，重新排布原子和分子。应用到生命科学中，可研究,DNA,分子的构形等。,1981,年宾尼希和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫描遂穿显微镜,(STM),可观测固体表面原子排列的状况,.1986,年宾尼希又研制了原子力显微镜,.,应用,1.STM,原理,利用探针在样品表面扫描时，样品表面和针尖之间间距有间隙，形成了,电子的势垒,，间隙越小势垒宽度越窄，,隧道电流,I,越大,。,（,4,）,扫描隧穿显微镜（,STM,）,扫描隧穿显微镜,(Scanning Tunneling Microscope),是可以观测原子的超高倍显微镜,。,扫描隧道显微镜示意图,通过测量电路中的电流，反推出距离,S,，绘出样品表面形貌图（立体图）,隧道电流,I,样品和针尖间距离,S,的关系,S,样品和针尖间的距离,U,加在样品和针尖间的微小电压,A,常数,平均势垒高度,隧道电流,反馈传感器,参考信号,显示器,压电控制,加电压,图象处理系统,扫描探针,样品表面电子云,备注,扫描探针显微镜,包含类型：,隧道扫描、磁力扫描、横向力扫描、力调制扫描、相检测扫描、静电力扫描,超高真空扫描探针显微镜,0,50,90,30,70,10,(,nm),硅晶体表面的,STM,扫描图象,2.STM,扫描图象,Carbon Monoxide on Platinum(111),Blue Nickel,Blue Platinum,Oh Where,Oh Where Has My Xenon Gone,Sodium&Iodine on Copper(111),Gadolinium on Niobium(110),Cesium&Iodine on Copper(111),Circles on Circles,镶嵌了,48,个,Fe,原子的,Cu,表面的,扫描隧道显微镜照片。,48,个,Fe,原子,形成“电子围栏”，围栏中的电子形成驻波：,Iron on Copper(111)-rectangular,Stadium Corral,由于这一贡献，宾尼、罗赫尔和鲁斯卡三人分享了,1986,年度的诺贝尔物理奖。,前两人是扫描隧穿显微镜的直接发明者，第三人是,1932,年电子显微镜的发明者，这里是为了追朔他的功劳。,罗赫尔,宾尼,鲁斯卡,哈密顿量,定态薛定谔方程,例四、一维谐振子（抛物线势阱）,晶体中原子围绕平衡位置作小振动时可近似认为是谐振动，,势函数为：,或,利用级数展开法解该微分方程。波函数满足的自然条件进一步限制了能量,E,的取值,。主要结论如下：,1.,谐振子能量,能量间隔均匀：,能量,E,是量子化的,最低能量,(,零点能,),不为零,与,Planck,假设不同！,E,0,E,1,E,2,E,3,U,(,x,),E,0,x,2.,谐振子,波函数,H,n,是厄密（,Hermite,）多项式，,最高阶是,U,(,x,),E,0,x,2,(,x,),E,0,黑色,虚线为经典粒子位置的几率分布,能量为,E,0,量子,粒子沿阱壁爬的高度可以大于,E,0,（红色虚线），或说能量为,E,0,的粒子可以穿入阱壁内部。,（用经典理论无法解释）,量子粒子位置几率分布与经典粒子分布有明显的区别,n=,1,2,(,x,),x,n=,0,(,x,),x,n=,0,2,(,x,),x,n=,1,(,x,),x,谐振子几个波函数和位置几率密度,2,(,x,),x,n=9,n=,9,x,(,x,),n=,2,量子概率分布,经典概率分布,(,图示虚线）,能量量子化,能量取连续值,当,n,时,玻尔对应原理,2,(,x,),x,n=,2,