粒子波動性-概率波-不確定性.ppt

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粒子的波動性、概率波、不確定關系,3粒子的波動性,光的本性,有記者曾問英國物理學家、諾貝爾獲獎者布拉格教授：光是波還是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個波，星期二、四、六它是一個粒子，星期天物理學家休息。”那么光的本性到底是什么？,人類對于光的認識歷程,德布羅意：粒子和波這兩種觀點應該以某種方式統(tǒng)一,物質波,德布羅意,能量量子化普朗克,粒子難以解釋,波動難以解釋,粒子性,波動性,（具有能量）,（具有頻率）,（具有動量）,h架起了粒子性與波動性之間的橋梁,一.光的波粒二象性,（具有波長）,,,T/年,波動性,粒子性,,光既具有粒子性，又具有波動性。,實物粒子既具有粒子性，也具有波動性。,二.粒子的波粒二象性,德布羅意原來學習歷史，后來改學理論物理學。他善于用歷史的觀點，用類比方法分析問題。1924年，他考慮到普朗克量子愛因斯坦光子理論的成功在博士論文《關于量子理論的研究》中大膽地把光的波粒二象性推廣實物粒子，如電子，質子等。于是他提出實物粒子也具有波動性。這種與實物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波.也叫物質波。愛因斯坦覺察到德布羅意物質波思想的重大意義，譽之為“揭開一幅大幕的一角”。,德布羅意：法國物理學家，1929年諾貝爾物理學獎獲得者，波動力學的創(chuàng)始人，量子力學的奠基人之一。,二.粒子的波粒二象性,一個質量為m的實物粒子以速率v運動時，既具有以能量ε和動量p所描述的粒子性，同時也具有以頻率ν和波長λ所描述的波動性。,粒子性,波動性,二者通過h來聯(lián)系,二.粒子的波粒二象性,德布羅意波（物質波）的波長,由于德布羅意博士論文獨創(chuàng)性，得到了答辯委員會的高度評價，但是人們總覺得他的想法過于玄妙，無法接受。于是，有人質問：有什么可以驗證這一新的觀念？,三.物質波的實驗驗證,X射線照在晶體上可以產生衍射，電子打在晶體上也能觀察電子衍射。戴維遜和革末的實驗是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強度分布可用德布羅意關系和衍射理論給以解釋，從而驗證了物質波的存在。,1927年G.P.湯姆遜（J.J.湯姆遜之子）也獨立完成了電子衍射實驗。與C.J.戴維森共獲1937年諾貝爾物理學獎。,1.電子衍射實驗,電子束在穿過細晶體粉末或薄金屬片后，也象X射線一樣產生衍射現(xiàn)象。,此后，人們相繼證實了原子、分子、中子等都具有波動性。,電子衍射圖樣,三.物質波的實驗驗證,三.物質波的實驗驗證,2.電子雙縫實驗,1961年瓊森（ClausJnsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過一縫寬為a=0.5?10-6m，間隔為d=2.0?10-6m的雙縫,當電子撞擊熒光屏時,發(fā)現(xiàn)了類似于雙縫衍射實驗結果.,,大量電子一次性通過,三.物質波的實驗驗證,電子顯微鏡,電子顯微鏡下的頭發(fā)分叉照片,電子顯微鏡下的血液中紅細胞的照片,例1:下列說法中正確的是()A.物質波屬于機械波B.只有像電子?質子?中子這樣的微觀粒子才具有波動性C.德布羅意認為,任何一個運動的物體,小到電子?質子,大到行星?太陽都具有一種波和它對應,這種波稱為物質波.D.宏觀物體運動時,看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體運動時不具有波動性,解析:物質波是一切運動著的物體所具有的波,與機械波性質不同,宏觀物體也具有波動性,只是干涉?衍射現(xiàn)象不明顯,看不出來,故只有C選項正確.答案:C,例2:一個電子初速為零,通過電壓為100V的加速電場,試計算它的德布羅意波長.(電子電量e=1.610-19C,電子質量me=9.110-31kg)(保留兩位有效數字),解析:電子從靜止經過加速電場后的速度為v由動能定理得eU=mev2p=mev=設該電子運動時的德布羅意波長為λ,例3:如果一個中子和一個質量為10g的子彈都以103m/s的速度運動,則它們德布羅意波的波長分別是多少?(中子的質量為1.6710-27kg),答案:(1)4.010-10m6.6310-35m,4概率波,一、經典的粒子和經典的波兩種模型：①粒子模型經典粒子特征：運動特征：②波動模型經典波的特征：,如：聲音的干涉、衍射現(xiàn)象,如：自由落體、電子在電場中偏轉,有大小、質量、電荷.,有頻率、波長，即具有時空的周期性，且在空間是彌散開來的。,能確定任意時刻的位置和速度以及時空中的確定軌道。,在經典物理中，波和粒子是兩種不同的研究對象，具有非常不同的表現(xiàn)，那么，對于光和電子、質子等粒子，這兩種互不相容的屬性又是怎樣“集于一身”的？,二、概率波雙縫干涉現(xiàn)象：明紋的強度大，所以到達明紋的光子數多；暗紋的強度弱，所以到達暗紋的光子數少。,那么，是光子之間的相互作用使它表現(xiàn)出了波動性，還是光子本身就具有波動性呢？通過下面的學習，我們可以知道，是光子本身表現(xiàn)出來的。,問題：一個光子通過狹縫后到底落在屏上的哪一點呢？,1926年德國物理學家波恩指出：光子落在明處的概率大，落在暗處的概率小。,光子在空間出現(xiàn)的概率可以通過波動的規(guī)律確定，所以從光子的概念上看，光波是一種概率波.,玻恩1954年諾貝爾物理學獎,1、對概率波的驗證——電子的雙縫干涉1)用足夠強的電子束進行雙縫干涉?,——結果與光的雙縫干涉一樣：出現(xiàn)了明暗相間的條紋，體現(xiàn)電子的波動性?！獥l紋掩飾了電子的粒子性體現(xiàn)電子在空間分布的概率性質。,2)用非常弱的電子束進行雙縫干涉?,——開始電子打在屏幕上的位置是任意的隨著時間推移，出現(xiàn)清晰條紋，和強電子束在短時間形成的一樣——單個電子的運動是完全不確定的，具有概率分布電子運動的概率具有確定的規(guī)律——波動規(guī)律,7個電子,100個電子,3000,20000,70000,2、物質波是不是經典波？,——經典的波是介質中質元共同振動形成的，實際存在于空間的一種波動。,——雙縫干涉中，每個電子的分布是隨機的，完全不確定的。但屏幕上出現(xiàn)的是強弱連續(xù)分布的條紋（整體性）。,物質波是一種概率波。簡單的說，是為了描述微觀粒子的波動性而引入的一種方法。,概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一,德布羅意波的統(tǒng)計解釋1926年，德國物理學玻恩(Born,1882--1972)提出了概率波，認為單個微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性(不確定性)，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計規(guī)律。粒子在某點出現(xiàn)的概率的大小可由波動規(guī)律確定。,例:下列有關光的波粒二象性的說法中,正確的是()A.有的光是波?有的光是粒子B.光和電子是同樣的一種粒子C.光的波長越長,其波動性越顯著;波長越短,其粒子性越顯著D.大量光子的行為往往顯示出粒子性,例：在單縫衍射實驗中，中央亮紋的光強占從單縫射入的整個光強的95%以上．假設現(xiàn)在只讓一個光子通過單縫，那么該光子()A．一定落在中央亮紋處B．一定落在亮紋處C．可能落在暗紋處D．落在中央亮紋處的可能性最大解析：選CD.根據光的概率波的概念，對于一個光子通過單縫落在何處，是不可確定的，但概率最大的是落在中央亮紋處，可達95%以上．當然也可能落在其他亮紋處，還可能落在暗紋處，只不過落在暗紋處的概率很小而已，故只有C、D正確．,海森伯，德國著名的現(xiàn)代物理學家。,5不確定關系,根據經典物理學，如果我們已知一物體的初始位置和初始速度，就可以準確地確定以后任意時刻的位置和速度。但是在微觀世界中，由于微觀粒子具有波動性，其坐標和動量不能同時確定。我們不能用經典的方法來描述它的粒子性。,１、光的單縫衍射,激光束,像屏,由于衍射，落點會超出單縫投影的范圍，其它粒子也一樣，說明微觀粒子的運動已經不遵守牛頓運動定律，不能同時用粒子的位置和動量來描述粒子的運動了。,屏上各點的亮度反映了粒子到達該點的概率。,1、粒子射到擋板左側時動量確定，但X方向的位置完全不確定。2、在單縫處，X方向上位置不確定范圍是：縫寬a=Δx3、在縫后x方向有動量，也不確定：Δpx,,若減小縫寬——位置的不確定范圍減小，但中央亮紋變寬，所以x方向動量的不確定量變大。,2、海森伯不確定關系,1927年海森伯提出：粒子在某方向上的坐標不確定量與該方向上的動量不確定量的乘積必不小于普朗克常數。,海森伯不確定關系告訴我們：微觀粒子坐標和動量不能同時確定。粒子位置若是測得極為準確，我們將無法知道它將要朝什么方向運動；若是動量測得極為準確，我們就不可能確切地測準此時此刻粒子究竟處于什么位置。不確定關系是物質的波粒二象性引起的。對于微觀粒子，不能用經典物理描述。海森伯不確定關系對于宏觀物體沒有施加有效的限制.。,所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的。可見子彈的動量和位置都能精確地確定，不確定關系對宏觀物體來說沒有實際意義。,例1.一顆質量為10g的子彈，具有200ms-1的速率，若其動量的不確定范圍為動量的0.01%(這在宏觀范圍是十分精確)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大?,解:子彈的動量,動量的不確定范圍,由不確定關系式，得子彈位置的不確定范圍,電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見企圖精確地確定電子的位置和動量已是沒有實際意義。,例2.一電子具有200m/s的速率，動量的不確定范圍為動量的0.01%(這已經足夠精確了)，則該電子的位置不確定范圍有多大?,解:電子的動量為,動量的不確定范圍,由不確定關系式，得電子位置的不確定范圍,黑體輻射熱輻射黑體輻射規(guī)律普朗克能量子概念,光的干涉、衍射、偏振說明光的波動性,光電效應實驗規(guī)律：1、存在飽和電流2、存在遏止電壓3、存在截止頻率4、瞬時性5、遏止電壓與入射頻率成線性關系,光的波粒二象性,麥克斯韋電磁理論、赫茲通過實驗說明光的電磁波本性,實物粒子也具有波粒二象性德布羅意波（物質波）,海森伯的不確定關系微觀世界粒子運動牛頓運動定律不適用微觀粒子的位置與動量不可能同時確定,