實(shí)物粒子的波粒二象性ppt

1、實(shí)物粒子的波粒二象性實(shí)物粒子的波粒二象性 一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性 19 世紀(jì)后半期，電磁理論成功地解釋了光的干世紀(jì)后半期，電磁理論成功地解釋了光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，建立了光的波動(dòng)圖象涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，建立了光的波動(dòng)圖象, 但但到了廿世紀(jì)初，人們?yōu)榻忉尮怆娦?yīng)、康普頓效到了廿世紀(jì)初，人們?yōu)榻忉尮怆娦?yīng)、康普頓效應(yīng)，又不得不將光當(dāng)作微粒來(lái)處理。尤其愛(ài)因斯應(yīng)，又不得不將光當(dāng)作微粒來(lái)處理。尤其愛(ài)因斯坦提出了光子的概念，建立了坦提出了光子的概念，建立了 的關(guān)系后，更使的關(guān)系后，更使人認(rèn)識(shí)到光是具有波粒二象性的東西。人認(rèn)識(shí)到光是具有波粒二象性的東西。h引言引言:半經(jīng)典半量子的玻爾理

2、論存在局限半經(jīng)典半量子的玻爾理論存在局限,看來(lái)是看來(lái)是建立新理論的候了建立新理論的候了,但新理論是什么呢但新理論是什么呢? 波動(dòng)性波動(dòng)性-它能在空間表現(xiàn)出干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn)它能在空間表現(xiàn)出干涉、衍射等波動(dòng)現(xiàn) 象，具有一定的波長(zhǎng)、頻率。象，具有一定的波長(zhǎng)、頻率。粒子性粒子性-是指它具有集中的不可分割的性質(zhì)。是指它具有集中的不可分割的性質(zhì)。一一顆光子就是集中的不可分割的一顆，它具有能顆光子就是集中的不可分割的一顆，它具有能量（量（ ）、動(dòng)量與質(zhì)量。）、動(dòng)量與質(zhì)量。huzxyeh光子光子波動(dòng)波動(dòng)如此截然不同的圖象卻集中于一體，如此截然不同的圖象卻集中于一體，很難想象！很難想象！光的波粒二象性引起了法

3、國(guó)光的波粒二象性引起了法國(guó)lous de broglie的思考的思考-世界真奇妙世界真奇妙德布羅意覺(jué)得自然界在很多方面是對(duì)稱(chēng)的，但整德布羅意覺(jué)得自然界在很多方面是對(duì)稱(chēng)的，但整個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)光的研究是否過(guò)多地注意到個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們對(duì)光的研究是否過(guò)多地注意到了它們的波動(dòng)性；而對(duì)實(shí)物粒子（靜止了它們的波動(dòng)性；而對(duì)實(shí)物粒子（靜止 質(zhì)量不為質(zhì)量不為零的微觀(guān)粒子及由它們組成的實(shí)物）的研究，又零的微觀(guān)粒子及由它們組成的實(shí)物）的研究，又是否把粒子的圖象想得過(guò)多而忽略了它們的波的是否把粒子的圖象想得過(guò)多而忽略了它們的波的圖象呢！圖象呢！1922年他的這種思想進(jìn)一步升華，經(jīng)再年他的這種思想進(jìn)一步升華，經(jīng)再三思

4、考，三思考，1924年，年，de broglie在他的博士論文在他的博士論文“量量子論研究子論研究”中，大膽地提出了如下假設(shè)：中，大膽地提出了如下假設(shè)： 不僅輻射具有二象性，而且一切實(shí)物粒子不僅輻射具有二象性，而且一切實(shí)物粒子也具有二象性。也具有二象性。二、德布羅意假設(shè)二、德布羅意假設(shè) 、德布羅意波德布羅意波 1、德布羅意假設(shè)德布羅意假設(shè) 事實(shí)上德布羅意提出以上想法后，也沒(méi)有被大家接受，事實(shí)上德布羅意提出以上想法后，也沒(méi)有被大家接受，直到他的導(dǎo)師朗之萬(wàn)將其論文的復(fù)制品交給愛(ài)因斯坦，直到他的導(dǎo)師朗之萬(wàn)將其論文的復(fù)制品交給愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦稱(chēng)贊他愛(ài)因斯坦稱(chēng)贊他“揭開(kāi)揭開(kāi) 了大幕的一角了大幕的一角”

5、才引起學(xué)術(shù)界的才引起學(xué)術(shù)界的重視，并研究如何從實(shí)驗(yàn)上去驗(yàn)證。重視，并研究如何從實(shí)驗(yàn)上去驗(yàn)證。從經(jīng)典物理看來(lái)，簡(jiǎn)直是荒謬和不可思議，看從經(jīng)典物理看來(lái)，簡(jiǎn)直是荒謬和不可思議，看來(lái)來(lái)提出這種想法沒(méi)有一定的氣魄是不行的。德布提出這種想法沒(méi)有一定的氣魄是不行的。德布羅羅意回憶說(shuō)：意回憶說(shuō)：“我當(dāng)時(shí)只不過(guò)是一種想法，不過(guò)我當(dāng)時(shí)只不過(guò)是一種想法，不過(guò)尚尚沒(méi)有誕生，而且覺(jué)得這種想法不敢講出去沒(méi)有誕生，而且覺(jué)得這種想法不敢講出去”。但什么是德布羅意波呢？但什么是德布羅意波呢？-不到火候不揭鍋！不到火候不揭鍋！注意注意：這一假設(shè)建立了對(duì)實(shí)物粒子的一種新的圖象，：這一假設(shè)建立了對(duì)實(shí)物粒子的一種新的圖象，這種圖象既允

6、許它這種圖象既允許它.表現(xiàn)微粒性，又允許它表現(xiàn)出波表現(xiàn)微粒性，又允許它表現(xiàn)出波動(dòng)性。這種波稱(chēng)為動(dòng)性。這種波稱(chēng)為“物質(zhì)波物質(zhì)波”或或“德布羅波德布羅波”。1、光子的波粒二象性、光子的波粒二象性2、德布羅意波、德布羅意波hmc 2hmcp粒子性粒子性波動(dòng)性波動(dòng)性（具有能量）（具有能量）（具有頻率）（具有頻率）（具有動(dòng)量）（具有動(dòng)量）hp光子的波動(dòng)性二者通過(guò)光子的波動(dòng)性二者通過(guò) h來(lái)聯(lián)系來(lái)聯(lián)系推廣：推廣：實(shí)物粒子也具有波粒二象性實(shí)物粒子也具有波粒二象性2、實(shí)物粒子的波粒二象性、實(shí)物粒子的波粒二象性 質(zhì)量為質(zhì)量為m m的粒子，以速度的粒子，以速度v v運(yùn)動(dòng)時(shí)，不但具有粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，不但具有粒子的性質(zhì)，也具

7、有波動(dòng)的性質(zhì)；子的性質(zhì)，也具有波動(dòng)的性質(zhì)；ephmce2hmvph粒子性粒子性波動(dòng)性波動(dòng)性二者通過(guò)二者通過(guò)h h來(lái)聯(lián)系來(lái)聯(lián)系2202/1cvhcmhmchevcvmhmvhph20/1a、在在 時(shí)，考慮相對(duì)論時(shí)，考慮相對(duì)論cv b、在在 時(shí)時(shí)cv hcm20vmhph03、電子的德布羅意波長(zhǎng)電子的德布羅意波長(zhǎng) 注意注意：對(duì)實(shí)物粒子，：對(duì)實(shí)物粒子，v是指粒子的速度（群速）是指粒子的速度（群速）故不存在故不存在v=的關(guān)系。的關(guān)系。加速電勢(shì)差為加速電勢(shì)差為 u，則則0202,21meuveuvm02mevkuemheumhvmh122000nmu226. 1書(shū)中公式：書(shū)中公式： 可獲得電子在不同電壓

8、下的波長(zhǎng)可獲得電子在不同電壓下的波長(zhǎng)nmvu39. 0,10nmvu123. 0,100nmvu039. 0,1000nmek226. 1ke的單位為的單位為ev與與x x射線(xiàn)的波長(zhǎng)相當(dāng)射線(xiàn)的波長(zhǎng)相當(dāng) gni單晶單晶電電流流計(jì)計(jì)三三 、德布羅意的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、德布羅意的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1）戴維遜）戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)與湯姆遜實(shí)驗(yàn)革末實(shí)驗(yàn)與湯姆遜實(shí)驗(yàn)1923年年clnton davisson發(fā)表了慢電子從鉑片反射的角分布發(fā)表了慢電子從鉑片反射的角分布實(shí)驗(yàn)情況，他發(fā)現(xiàn)彈性反射電子束強(qiáng)度在某些角度出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)情況，他發(fā)現(xiàn)彈性反射電子束強(qiáng)度在某些角度出現(xiàn)了極大值。玻恩（極大值。玻恩（born）認(rèn)為是一種干涉現(xiàn)象，可能與

9、德布認(rèn)為是一種干涉現(xiàn)象，可能與德布羅意波有關(guān)，這引起了戴維遜和革末（羅意波有關(guān)，這引起了戴維遜和革末（lester germer）繼繼續(xù)對(duì)慢電子在鎳單晶表面散射進(jìn)行研究。續(xù)對(duì)慢電子在鎳單晶表面散射進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置：umibk發(fā)射電發(fā)射電子陰級(jí)子陰級(jí)加加速速電電極極uia=0.215nm d=0.0908nm電流出現(xiàn)了周期性變化電流出現(xiàn)了周期性變化ni單晶單晶da實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)解釋?zhuān)簩?shí)驗(yàn)解釋?zhuān)簩㈦娮涌闯刹ǎ洳ㄩL(zhǎng)為德布羅意波長(zhǎng)：將電子看成波，其波長(zhǎng)為德布羅意波長(zhǎng)：uuemh23. 120既然是波，電流出現(xiàn)最大值時(shí)正好滿(mǎn)足布喇格既然是波，電流出現(xiàn)最大值時(shí)正好滿(mǎn)足布喇格公式：公

10、式：kdsin2uemhkd02sin2. 321k即：即：實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置：gni單晶單晶電電流流計(jì)計(jì)uibk發(fā)射電發(fā)射電子陰級(jí)子陰級(jí)加加速速電電極極顯然將電顯然將電子看成微子看成微粒無(wú)法解粒無(wú)法解釋。釋。實(shí)驗(yàn)表實(shí)驗(yàn)表明電流明電流最大值最大值正好滿(mǎn)正好滿(mǎn)足足m1927 年湯姆遜（年湯姆遜（gpthomson）以以600伏慢電子伏慢電子（ =0.5）射向鋁箔，也得到了像射向鋁箔，也得到了像x射線(xiàn)衍射一射線(xiàn)衍射一樣的衍射，再次發(fā)現(xiàn)了電子的波動(dòng)性。樣的衍射，再次發(fā)現(xiàn)了電子的波動(dòng)性。1937年戴維遜與年戴維遜與gp湯姆遜共獲當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)湯姆遜共獲當(dāng)年諾貝爾獎(jiǎng)（gpthomson為電子發(fā)現(xiàn)人為電子發(fā)

11、現(xiàn)人jjthmson的兒子）的兒子）爾后又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子的衍射爾后又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子、中子的衍射2）電子雙縫實(shí)驗(yàn)）電子雙縫實(shí)驗(yàn)1961年瓊森（年瓊森（claus jnsson）將一束電子加速將一束電子加速到到50kev，讓其通過(guò)一縫寬為讓其通過(guò)一縫寬為a=0.5 10-6m，間間隔為隔為d=2.0 10-6m的雙縫的雙縫,當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r,發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似于雙縫衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似于雙縫衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.大量電子一次性的行為大量電子一次性的行為電子雙縫實(shí)驗(yàn)電子雙縫實(shí)驗(yàn)-一個(gè)電子多次重復(fù)性行為一個(gè)電子多次重復(fù)性行為3)量子圍欄量子圍欄(quantum corral)中的駐波中的駐波1

12、993年克羅米年克羅米(mfcorrie)等人用掃描電子顯微等人用掃描電子顯微鏡技術(shù)鏡技術(shù),把銅把銅(111)表面上的鐵原子排列成半徑為表面上的鐵原子排列成半徑為7.13nm的圓環(huán)性量子圍欄的圓環(huán)性量子圍欄,并觀(guān)測(cè)量到了圍欄內(nèi)并觀(guān)測(cè)量到了圍欄內(nèi)的同心圓柱狀駐波的同心圓柱狀駐波,直接證實(shí)了物質(zhì)波的存在直接證實(shí)了物質(zhì)波的存在.+ +探針探針注意注意:物質(zhì)波被廣泛用作探索手段物質(zhì)波被廣泛用作探索手段.例核反應(yīng)產(chǎn)生例核反應(yīng)產(chǎn)生的中子的中子( =0.1nm)可作為晶體探測(cè)器可作為晶體探測(cè)器.中子衍射顯示的苯結(jié)構(gòu)中子衍射顯示的苯結(jié)構(gòu)超高真空低能電子衍射掃描隧道顯微鏡超高真空低能電子衍射掃描隧道顯微鏡掃描隧

13、道顯微鏡中的原子形象掃描隧道顯微鏡中的原子形象四、不確定關(guān)系（測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系）四、不確定關(guān)系（測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系）19271927年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出：年，德國(guó)物理學(xué)家海森堡提出： 引言：在進(jìn)一步描述引言：在進(jìn)一步描述de brglie波前，我們來(lái)考查波前，我們來(lái)考查 一下經(jīng)典物理描述問(wèn)題時(shí)受到什么限制。一下經(jīng)典物理描述問(wèn)題時(shí)受到什么限制。 在介紹玻爾理論時(shí)，就曾指出它是一個(gè)半經(jīng)典在介紹玻爾理論時(shí)，就曾指出它是一個(gè)半經(jīng)典半量子產(chǎn)物，用到了確定半量子產(chǎn)物，用到了確定位置位置和和軌道軌道與與動(dòng)量動(dòng)量的概的概念。就是說(shuō)總可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段精確地測(cè)定微觀(guān)念。就是說(shuō)總可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段精確地測(cè)定微觀(guān)粒子的位置和動(dòng)

14、量，對(duì)具有波粒二象性的微觀(guān)粒粒子的位置和動(dòng)量，對(duì)具有波粒二象性的微觀(guān)粒子，這種概念正確嗎？子，這種概念正確嗎？24hpxx1）1、測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系（不確定關(guān)系）、測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系（不確定關(guān)系）：坐標(biāo)的測(cè)量誤差：坐標(biāo)的測(cè)量誤差xxp：動(dòng)量（速度）的測(cè)量誤差：動(dòng)量（速度）的測(cè)量誤差坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)精確測(cè)量坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)精確測(cè)量xpx, 0 xpx, 0由微觀(guān)粒子的波粒由微觀(guān)粒子的波粒二象性引起二象性引起2）由電子衍射實(shí)驗(yàn)推證測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系）由電子衍射實(shí)驗(yàn)推證測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系 電子具有波粒二象性，也可產(chǎn)生類(lèi)似波的單電子具有波粒二象性，也可產(chǎn)生類(lèi)似波的單縫衍射的圖樣，若電子波長(zhǎng)為縫衍射的圖樣，若電子波長(zhǎng)為 ，則讓電子

15、進(jìn)行，則讓電子進(jìn)行單縫衍射則應(yīng)滿(mǎn)足：?jiǎn)慰p衍射則應(yīng)滿(mǎn)足：3 .2 .1k明紋明紋暗紋暗紋2)12(sinkakasina、位置的不確定程度位置的不確定程度用單縫來(lái)確定電子在穿過(guò)單縫用單縫來(lái)確定電子在穿過(guò)單縫時(shí)的位置時(shí)的位置電子在單電子在單縫的何處縫的何處通過(guò)是不通過(guò)是不確定的確定的!只知是在只知是在寬為寬為a的的的縫中通的縫中通過(guò)過(guò).結(jié)論結(jié)論:電子在單縫處的位置電子在單縫處的位置 不確定量為不確定量為ax 我們來(lái)研究電子在單縫隙位置的位置和動(dòng)量的不我們來(lái)研究電子在單縫隙位置的位置和動(dòng)量的不確定程度確定程度ub b、單縫處電子的動(dòng)量的不確定程度單縫處電子的動(dòng)量的不確定程度先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：電子衍射是電子

16、自身的波粒二象性先強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：電子衍射是電子自身的波粒二象性的結(jié)果，不能歸于外部的原因，即不是外界作用的結(jié)果，不能歸于外部的原因，即不是外界作用的結(jié)果。的結(jié)果。 顯然，電子通過(guò)單縫不與單縫材料作用，因此顯然，電子通過(guò)單縫不與單縫材料作用，因此通過(guò)單縫后，其動(dòng)量大小通過(guò)單縫后，其動(dòng)量大小p不變。不變。 但不同的電子要但不同的電子要到達(dá)屏上不同的點(diǎn)。故各電子的動(dòng)量方向不同。到達(dá)屏上不同的點(diǎn)。故各電子的動(dòng)量方向不同。uxyi電子大部分都到達(dá)中央明紋處，作為分析：電子大部分都到達(dá)中央明紋處，作為分析：要估算單縫處電子在要估算單縫處電子在x軸上的分量的不確定量，可軸上的分量的不確定量，可先抓住到達(dá)中央明紋

17、處的電子在單縫處的不確定量先抓住到達(dá)中央明紋處的電子在單縫處的不確定量來(lái)研究。即正負(fù)一級(jí)暗紋間的電子來(lái)研究。這部分來(lái)研究。即正負(fù)一級(jí)暗紋間的電子來(lái)研究。這部分電子在單縫處的動(dòng)量在電子在單縫處的動(dòng)量在x軸上的分量值為：軸上的分量值為：sinaasinappx為一級(jí)暗紋的衍射角為一級(jí)暗紋的衍射角由單縫一級(jí)暗紋條件：由單縫一級(jí)暗紋條件：sinppx由德布羅意關(guān)系式：由德布羅意關(guān)系式：xhahpx考慮到還存在考慮到還存在方向的電子，這些方向電子的動(dòng)方向的電子，這些方向電子的動(dòng)量不確定量還要大量不確定量還要大hxpxhp 動(dòng)量位置不確定量關(guān)系式動(dòng)量位置不確定量關(guān)系式 當(dāng)我們同時(shí)測(cè)量一個(gè)粒子的位當(dāng)我們同時(shí)

18、測(cè)量一個(gè)粒子的位置置x和動(dòng)量和動(dòng)量px時(shí)，位置時(shí)，位置 x和動(dòng)量和動(dòng)量px的不確定量滿(mǎn)足如下關(guān)系式：的不確定量滿(mǎn)足如下關(guān)系式：量子力學(xué)給出了更準(zhǔn)確的表達(dá)量子力學(xué)給出了更準(zhǔn)確的表達(dá)3）海森伯不確定關(guān)系式）海森伯不確定關(guān)系式2/xpx22420cpcme設(shè)有一個(gè)速度為設(shè)有一個(gè)速度為v，質(zhì)量為質(zhì)量為m的粒子，其能量的粒子，其能量考慮到考慮到e的增量：的增量：epmvccpcmppcexxxx222420222pvxptx2/xpxte2te能量與時(shí)間不確定關(guān)系式能量與時(shí)間不確定關(guān)系式即：即：2、能量與時(shí)間不確定關(guān)系、能量與時(shí)間不確定關(guān)系注意：注意：1）式中）式中 e應(yīng)理解為狀態(tài)能量的應(yīng)理解為狀態(tài)能量的不確定量，不確定量， t表示明顯變化所經(jīng)表示明顯變化所經(jīng)歷的時(shí)間（如激發(fā)態(tài)壽命）歷的時(shí)間（如激發(fā)態(tài)壽命）2）h具有焦?fàn)柮氲牧烤V，而具有焦?fàn)柮氲牧烤V，而 x p、 e t均具有均具有焦?fàn)柮氲牧烤V，焦?fàn)柮氲牧烤V， x p、 e t均稱(chēng)為均稱(chēng)為共軛物理量共軛物理量。4、不確定關(guān)系的進(jìn)一步討論、不確定關(guān)系的進(jìn)一步討論1 1）不確定關(guān)系意味著兩個(gè)互相制約、互成反比）不確定關(guān)系意味著兩個(gè)互相制約、互成反比 的共軛物理量的不確定量不能同時(shí)無(wú)限制地的共軛物理量的不確定量不能同時(shí)無(wú)限制地 減小。減小。xpx.xpx.2te2）不確定關(guān)系是微觀(guān)粒