3粒子的波动性和波函数课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3,粒子的波动性和波函数,3 粒子的波动性和波函数,1,1 粒子的波动性,光(波)具有粒子性，,实物粒子是否具有波动性?,L.V.de Broglie,（法，1892-1986）,一个总能量为,E,（包括静能在内）,动量为,P,的,实物粒子同时具有波动性,且:,1924.11.29.,德布洛意把,题为“,量子理论的研究”的博士论文提交巴黎大学:,1 粒子的波动性光(波)具有粒子性，实物粒子是否具有波动性?,2,有限空间能稳定存在的波,必是驻波。,r,导师朗之万把德布洛意的文章寄给爱因斯坦，,（,n,=1,2,）,？,与粒子相联系的波称为,物质波，,或德布罗意,波。,德布罗意波长。,他用物质波的概念成功地解释了玻尔提出的,轨道量子化条件,：,有限空间能稳定存在的波r导师朗之万把德布洛意的文章寄给爱因,3,实验验证电子衍射实验,戴维逊革末实验,（,1927,年,）,真空,电子枪,掠射角,I,Ni,单晶,U,实验装置示意图（测电子波长、电子束强度）,估算电子的波长:,(),得,实验验证电子衍射实验戴维逊革末实验（1927年）真空,4,G.P,.汤姆逊,（,1927年,）,电子通过金属多晶薄膜的衍射实验。,G.P.汤姆逊（1927年）电子通过金属多晶薄膜的衍射实验,5,1929年,德布洛意获诺贝尔物理奖。,1937,年,戴维逊 与,G.P.,汤姆逊获诺贝尔物理奖。,此后，又有人作出了,电子的单缝、双缝、三缝、四缝实验：,后来实验又验证了：质子、中子和原子、分子,等实物粒子都具有波动性，并都满足 德布洛意,关系。,1929年 德布洛意获诺贝尔物理奖。1937年 戴维逊 与,6,一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？,估算：质量,m,=0.01kg,，速度,v,=300m/s,的子弹,的德布洛意波长为,波动光学,几何光学,a,:,h,0:,量子物理,经典物理,波长小到实验难以测量的程度(足球也如此)，,它们,只表现出,粒子性，并不是说,没有波动性,。,一颗子弹、一个足球有没有波动性呢？估算：质量m=0,7,物质波,的波速,u,并不等于相应粒子的,运动速度,v,，它们之间的关系是,证明：,波速为 ，,根据德布洛意公式，相应粒子有,两式相乘得,光波,的波速 等于光子的运动速度，,两者都等于,c,。,注意1：,注意2：,有,物质波的波速 u 并不等于相应粒,8,例1：,试计算动能分别为,100eV、1keV、1MeV、1GeV,的电子的德布罗意波长。,解：,电子静能：,E,0,=m,0,c,2,=0.51MeV,（1）,当,E,K,=100eV,时，,不考虑相对论效应：,（2）,当,E,K,=1keV,时，同样不考虑相对论效应：,例1：试计算动能分别为 100eV、1keV、1MeV、1G,9,由相对论公式：,得：,代入德布罗意公式，有：,（3）,当,E,K,=1MeV,时，必须考虑相对论效应：,（4）,当,E,K,=1GeV,时，,由相对论公式：得：代入德布罗意公式，有：（3）当 EK=1,10,根据：,有,注意：,也可以由第（3）所得结果得到两种极限情况下波长公式,若：,则：,若：,则：,根据：有注意：也可以由第（3）所得结果得到两种极限情况下波长,11,如何对波粒二象性正确理解？,1949,年，前苏联物理学家,费格尔曼,做了,一个非常精确的,弱电子流衍射实验,。,电子几乎是一个一个地通过双缝，,底片上出现一个一个的点子。,（显示出电子具有粒子性）,开始时底片上的点子“无规”分布，随着,电子增多，逐渐形成双缝衍射图样。,2 概率波,如何对波粒二象性正确理解？1949年，前苏联物理学家费格尔曼,12,单电子双缝衍射实验：,7个电子,100个电子,3000,20000,70000,说明衍射图样不是电子,相互作用的结果,它来源,于单个电子具有的波动性。,德布洛意波（物质波）也称为,概率波。,实物粒子的二象性就统一在“,概率波,”上。,单电子双缝衍射实验：7个电子100个电子3000200007,13,（2）波动性,指它在空间传播有,“可叠加性”，,有“干涉”、“衍射”、等现象。,但不是经典的波！因为它没有某种实际,物理量（如质点的位移、电场、磁场等）,的波动。,（1）粒子性,指它与物质相互作用的,“颗粒性”,或,“整体性”。,但不是经典的粒子！因为微观粒子,没有,确定的,轨道，在屏上以概率出现。,应抛弃“轨道”的概念！,怎样理解微观粒子的二象性：,（2）波动性 指它在空间传播有“可叠加性”，但不是经典,14,3 波函数,1926,年玻恩,为了把“颗粒性”,与“可叠加性”统一起来，提出，,要描述微观粒子的运动，应该用一个函数（称为,波函数），它必须能把,“颗粒性”,与,“可叠加性”,统一起来！,玻恩,人们常用复函数 代表微观粒子的波函数。,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。,3 波函数 1926年玻恩为了把“颗粒性”要描述微观粒,15,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,N,个粒子，,给出粒子数的分布。,在时刻,t,、空间,点处，,体积元,d,v,中发现微观粒子的概率为：,1954年,玻恩获诺贝尔物理奖。,称为“,概率（振）幅,”。,称为,概率密度,。,不同于经典波的波函数，它无直接的物理有意义的是对N 个粒子，,16,概率幅,(,波函数,),应满足的物理条件,（2）自然条件,单值、有限、连续。,（1）归一化条件,粒子在空间各点的,概率总和应为l，这与经典波完全不同。,（3）状态叠加原理,统计解释对波函数 提出的要求：,“若体系具有一系列不同的可能状态,1,2,，,则它们的线性组合,=,C,1,1,+C,2,2,+,也是该体系,的一个可能的状态，其中,C,1,C,2,为,复常数,。,模方 分别表示,态的粒子处于,1,2,各态的概率”。,概率幅(波函数)应满足的物理条件（2）自然条件 单值、有限、,17,例.,用状态叠加原理说明,“电子双缝干涉实验”,:,这是因为状态为,12,=,1,+,2,，,分布为,同时开缝,1,2,-分布不是,I,1,+,I,2,而是双缝干涉分布！,电子枪,1,2,双缝干涉,分布,I,2,I,1,(状态为,1,分布为,),(状态为,2,分布为,),只开缝,2,-强度分布为,I,2,衍射,只开缝,1,-强度分布为,I,1,衍射,例.用状态叠加原理说明“电子双缝干涉实验”:这是因为状态为,18,电子有粒子性,一个电子,只能从一个缝通过；,电子有波动性,其状态服从叠加原理。,当双缝齐开时,即使只有,一个电子,，,两个概率幅的叠加，就会产生干涉项。,它的状态也要用叠加态 来描述，,电子枪,1,2,双缝干涉,分布,I,2,I,1,电子有粒子性,一个电子只能从一个缝通过；电子有波动性,其状态,19,4 不确定关系,波动性使微观粒子没有确定的轨道，坐标和动量不能同时取确定值，存在一个,不确定关系。,严格的理论给出,坐标与动量的不确定关系为,x,p,x,/2,y,p,y,/2,z,p,z,/2,对坐标,x,测量得越精确（,x,越小），,动量不确定性,p,x,就越大。,4 不确定关系波动性使微观粒子没有确定的轨道，坐标和动量不能,20,时间与能量的不确定关系,t,E,/,2,例.,能级寿命和能级宽度的不确定关系：,E,/,2,则测得的该能级能量，必有不确定度,E，,E,称为,该能级的自然宽度。,满足关系,所以，只有,基态能级的自然宽度才为零。,（在,时间内测量能量，它都处于该能级状态）,相对论改变了我们的时空观；,量子论告诉我们，不能做绝对确定性的断言，,只能做具有某种可能性的断言。,时间与能量的不确定关系tE /2例.能级寿命,21,所以原子中电子的运动必须抛弃轨道的概念,例,2,.,电视显象管中电子的运动,例1.,按牛顿力学，氢原子中的电子的轨道运动,速度约10,6,m/s，,而用,电子云,图象（说明电子在空间的概率分布）,设电子枪口的直径为,电子的速度与速度的不确定度有相同的数量级，,波动性十分显著。,所以原子中电子的运动必须抛弃轨道的概念,例2.电视显象管中电,22,所以,电视显象管中电子,的运动可以使用,轨道,的概念,其表现跟经典粒子一样。,用不确定关系估算电子的横向速度,它比电子的纵向速度 要小得多，,不起什么实际作用。,电子的加速电压为 9000V,相当于电子速度为,所以电视显象管中电子的运动可以使用用不确定关系估算电子的横向,23,例3.,氦氖激光器发光波长 ，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？,(波列长度),这种光子的动量（波长）相当确定的，,其坐标就是非常不确定的。,估算：,即,相干长度。,取正,例3.氦氖激光器发光波长,24,