微观世界的物理学

微观世界的物理学1第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三一.物质粒子的波粒二象性二.原子能级和量子跃迁三.量子力学的某些应用四.向更深度的微观领域进军—反粒子和真空量子力学和相对论是20世纪建立和发展起来的现代物理学的两大支柱2第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三一.物质粒子的波粒二象性

“波粒二象性”概念是量子力学的基础.

“量子力学”极大地拓展了人类研究、认识、应用自然的疆域;由它孕育并获得飞速发展的现代科技极大地改变了人们的工作和生活方式,极大地促进了人类社会的发展.人们通过20世纪最初20余年的探索发现,不能利用牛顿力学研究原子.后来发现这完全是因为微观粒子具有明显的波粒二象性.人们终于醒悟到,为了将物理学推广到微观领域,需要改变牛顿力学中的某些“旧”观念,根据实验结果建立新概念,并在此基础上建立一种全新的物理理论.

1.物质波假设;2.实验验证;3.什么是物质波3第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三1.物质波假设

1921年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦,表彰他1905年提出的光子说.

光子是构成光或电磁场的基本粒子,E=hν,p=h/λ.光不仅具有波动性(1864),而且具有粒子性(1905).

这使当时正在法国巴黎大学物理系攻读博士学位的德布罗意受到极大的启发和激励.他于是想,既然具有波动性的光或电磁场这样的客体会显示出粒子性,那么为什么我们通常看成是粒子的客体不会显示出波动的性质呢?4第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三2.实验验证判断德布罗意关于物质波的假设是否正确的最好办法是:用实物粒子(如电子)做干涉衍射实验

光波波长λ≈0.5微米,电子的德布罗意波长确λ≈万分之一微米!1927年,物理学家终于得到了电子束通过晶体所产生的干涉衍射图样.5第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期三6第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期三

其后数十年间,物理学家证实了电子、原子、分子以及原子核等一切微观粒子都具有波动性.可见,不仅光和电磁场具有波粒二象性,一切实物也都具有波粒二象性.

波粒二象性是自然界中一切物质的普遍属性.

为什么宏观现象中没有发现物质波?p=h/λ:

飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿亿亿亿分子一米;

原子中电子的德布罗意波长大约是百亿分子一米(与原子的线度相同).7第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期三历史回眸1924.11.德布罗意向巴黎大学理学院提交了一篇博士论文,题为《量子理论的研究》.在该文中,他提出了物质粒子具有波动性的假设.当时学位评审委员会不知道怎样对待这篇文章,就将它寄给了爱因斯坦.一向偏爱对称性的爱因斯坦被这篇论文深深地打动了.于是学位委员会通过了德布罗意的论文.5年后他成了第一位因学位论文而获得诺贝尔物理学奖的人.德布罗意原来喜欢文学,并于1910年获巴黎大学文学士学位.后来才喜欢上当时盛行的自然科学,经过学习,于1913年获理学学士.

8第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期三应用:

用X－射线或电子、原子、分子束所得到的晶体的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构(如原子间距及排列方式等)的信息,于是,固体和凝聚态物理学有了实验基础,从而得到了飞速发展,并在此基础上形成了诸如新材料、半导体和微电子、纳米技术、电子显微镜技术以及原子显示和操纵技术等.

9第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期三3.什么是物质波?

物质的粒子性和波动性这两个概念怎样统一体现在一个微观客体上?

1927年德国物理学家玻恩提出“概率假设”:物质波(或德布罗意波)是“概率波”在电子波的干涉实验中,每秒大约有1000个电子穿过两条狭缝.四幅照片嚗光时间分别是（a）0.1s;（b）3s;（c）20s;（d）70s微观世界中充满了概率性!10第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期三二.原子能级和量子跃迁

波粒二象性的三个重要结果是:原子能量状态的“分立性”;状态变化的“跳跃性”;位置和动量(能量)的“不确定性”.

1.原子能级(能量的分立性)驻波性11第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三l=nλ/2,n=1,2,3,…

由于n只能取分立的值,因此原子中电子运动的半径r、速度v,以及动量、能量等常常只能具有分立的值.

“量子性”;“量子态”;“量子数”.(与宏观世界的情景截然不同)(p=h/λ);E=hν12第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三原子的能级

原子中电子的驻波性引起了它的能量的分立性（E=hν）,因此,原子中电子的可能的能量值是分立的.I=13.6eV13第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三能级图2.量子跃迁由于原子中电子能量状态的分立性,因此原子状态的改变必然是“跳跃式”的.氢原子产生辐射.

薛定格(Schording)方程14第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三原子光谱15第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期三我们对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识.

建立在波粒二象性基础上的量子力学首先应用于原子结构,其后又应用于分子和原子核领域,都取得了巨大成就.

量子力学曾被揶喻为“儿童力学”.

不同原子（如H、He、O、C…）、分子（如H2、CO2、DNA）及原子核都具有特定的能级结构,因此具有特定的光谱(称为“特征光谱”.于是我们可以通过量子力学理论的计算对它们的光谱结构作出预言;反之,通过精密的光谱实验对理论进行检验,提出修正.物理学家正是通过这样的实验和理论的不断反复,对原子结构有了相当深入的认识.16第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期三历史回眸

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氢原子的玻尔模型(1913)概率分布!17第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期三3.不确定性

这个波包压缩到一半时,它的位置的不确定程度减小了,但与此同时发生的情况是:它的波长（λ）减小了,动量（p=h/λ）增加了,因而它的动量的不确定程度增加了!可见,由于物质粒子的波动性,微观粒子的位置愈确定,则它的动量(及能量)就愈不确定;反之亦然.局限在愈小空间内的微观粒子,其能量愈大18第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期三三.量子力学的某些应用

1.原子光谱

不同原子（如H、He、O、C…）、分子（如H2、CO2、DNA）及原子核都具有特定的能级结构,因此具有“特征光谱”.在天体物理学、化学、地学、材料科学等领域,常通过光谱分析来辨认和量化物质的组分.在钢铁和其他金属加工企业中,光谱分析常用于检验产品的质量.光谱分析也是了解太阳和遥远的恒星成分的唯一工具.

19第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期三

量子理论的最大成就之一是,为化学建立了理论基础.量子力学不仅解释了元素周期表,而且孕育发展了化学键理论、化学动力学、量子化学等学科.化学键理论的开拓者,诺贝尔化学奖获得者鲍林说过,“化学没有那一部份的基本理论是不依赖于量子原理的”.

20第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期三2.受激发射和光的放大(激光)

自发辐射(亿分之一秒)与受激发射(光放大)红宝石激光器粒子数反转21第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三22第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三23第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三3.固体的能带

物理学家原来只知道导体和绝缘体,只是在量子理论的指引下,通过对原子的能级和固体的能带进行计算和分析后才发现了半导体,随后发明了晶体管和集成电路,从而才能使我们的社会进入信息化时代.

24第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三25第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期三4.扫描隧道显微镜(STM)

26第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期三“互补原理”

波粒二象性是一个确切的实验事实,微观世界的概率性、不确定性,以及微观粒子状态的分立性等都起源于此.按照物理学家玻尔的说法,波和粒子两种概念在描述微观现象和解释实验时都是不可缺少的,是“互补的”.他认为,只有将这些既排斥、又互补的概念汇集在一起,才能对现象作出详尽无遗的描述.他常借助如下例子说明他的观点:银币有正反两面,在任何时刻我们只能看到其中一面,不能同时看到两面;但只有当银币的正反两面都看到后,才能说我们对此银币有了较完整的认识.物质粒子的波粒二象性;原子能级和量子跃迁;量子力学的某些应用

27第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期三四.向更深度的微观领域进军

--反粒子和真空1.反粒子—相对论和量子力学相结合的产物电子和“反电子”理论预言:1927年,Dirac,“相对论性量子力学方程”28第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期三实验验证

1932年,美国物理学家安德森将一台能捕捉微观粒子径迹的仪器—“云室”安置在高山上.当带电粒子进入充满蒸气的云室中时,在它经过的路经上就会产生雾滴,并触发照相机进行拍摄.29第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期三

正电子与电子一样都是稳定粒子,但是一旦正电子与电子相遇,就会同时凐灭,并转化为光子;反之,在一定条件下,光子也能将能量注入真空,并从其中产生正反电子对

30第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期三反物质正电子是电子的反粒子所有的粒子都存在相应的反粒子反质子（1955）、反中子（1956）,

反氘核（一个反质子与一个反中子的组合）

反氦核（两个反质子与一个反中子的组合）

“反物质”--它们的原子由反粒子构成.?31第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期三2.真空不空什么是真空?

日常观念:真空是一无所有的空间.根据由大量精确实验支持的现代物理学理论:真空实际上具有非常丰富的物理内容,甚至可以说,“真空是物理的全部”.32第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期三

真空并不平静.真空中尽管不存在“实粒子”,但仍然可能存在各种“虚粒子”的产生、凐灭和相互转化.在一万亿分之一米线度的真空中,存在相当于20对正、负电子对的能量涨落,有可能“凭空”产生出20对正、负电子对!依此类推,在更为细微的时空尺度上,能量的涨落更大,此时还可能产生质量更大的正反粒子对,如虚μ子对、虚π介子对、虚质子对,甚至虚夸克对(统称为“虚粒子对”)等等.

真空涨落

各种粒子的确可以“从虚无中产生”.

根据海森伯的“不确定性原理”:在愈细微的时空中,能量的不确性愈大33第三十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期三以往的经典物理学所以未能揭示出真空的这些性质,只是因为我们考察得不够细致.为了揭示真空的内涵,必须在更细微的尺度（<一万亿分之一米）,或更高的能量上（>1GeV）进行考察.

34第三十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期三小结

1.为了更好地认识和利用宏观,必须深入认识和把握微观.2.微观粒子的最基本特性是“波粒二象性”,这是一个确切的实验事实.微观世界的