《实物粒子的波粒二象性》参考课件

根据经典物理学,如果我们已知一物体的初始位置和初始速度,就可以准确地确定以后任意时刻的位置和速度.但是在微观世界中,由于微观粒子具有波动性,其坐标和动量不能同时确定。我们不能用经典的方法来描述它的粒子性实物粒子的波粒二象性

一、德布罗意假设(1924

年)

“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’的图像想得太多，而过分地忽略了波的图像呢？”法国物理学家1924年在他的博士论文《关于量子理论的研究》中提出把粒子性和波动性统一起来.为量子力学的建立提供了物理基础.德布罗意（1892—

1987）

思想方法自然界在许多方面都是明显地对称的，德布罗意采用类比的方法提出物质波的假设.

德布罗意假设：实物粒子具有波粒二象性粒子性波动性1º、光的波粒二象性能量第4讲光的波动性:光的干涉、衍射和偏振光的粒子性：热辐射、光电效应、康普顿散射波粒二象性表征粒子性的量ε、p、m与表征波动性的量λ、ν之间的关系为：2º、实物粒子的波动性-----德布罗意波德布罗意假设:一切实物粒子有波粒二象性。波长能量注意:(1)(2)德布罗意假设:

质量为m,以V匀速运动的实物粒子,就相当于一束单色平面波.而且：德布罗意公式即:两种波本质不同.----表示各种实物粒子的波粒二象性的基本公式.与物质相联系的波称为德布罗意波或实物波（物质波）3º、实物的波粒二象性综述(1)波粒二象性是所有物质的共性物体越大,粒子性越显著.物体越小,波动性越显著.(基本物质属性)(例:天体;光子)(2)德布罗意式表征所有物质波粒二象性的基本公式例:已知:子弹m=10-2kgv=700m/s

求:=?(无实际意义)结论:子弹的波动性存在,但显现不出来.只显现出粒子性粒子速度较小时：例如：与X光波长相当，可用晶体光栅做衍射实验。太小测不到(2)电子速度，德布罗意波长?(1)人m0=75Kg，速度，德布罗意波长?若V<<c

则有以电子为例，电子在电位差为U的电场中加速，设v<<c若U＝150V，

1Å与X射线的波长同数量级若U＝104V，＝0.122Å所以德布罗意波长很短5102015250IU1/2GφφK狭缝电流计镍集电器U电子射线单晶1927年戴维孙(C.J.Davisson)和革末(L.H.Germer)用加速后的电子投射到晶体上进行电子衍射实验。(1)实验及规律实验结果:I不随U单调增,而是有明显的选择性,只有电压为某些值时,或者说当波长为某些值时,I极大.要求:光栅d很小--晶体晶格常数d=9.1×10-11m戴维孙—革末实验中安排:=650U=54V根据德假说,由加速电势差算得的波长为:=1.67Å利用布拉格公式:2dsin=k=1.65Å二者吻合说明德假说正确二、德布罗意假说的实验探索

1913年英国布拉格父子提出了一种解释Ｘ射线衍射的方法，给出了定量结果，并于1915年荣获物理学诺贝尔奖.布拉格反射入射波散射波掠射角晶格常数

相邻两个晶面反射的两X射线干涉加强的条件

布拉格公式布拉格反射入射波散射波三、不确定关系

1927年海森伯提出：粒子在某方向上的坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不小于普朗克常数。

海森伯不确定关系告诉我们：微观粒子坐标和动量不能同时确定。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。

不确定关系是物质的波粒二象性引起的。

对于微观粒子，我们不能用经典的来描述。海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效的限制。例1：若电子与质量m=0.01Kg的子弹，都以200m/s的速度沿x方向运动，速率测量相对误差在0.01%内。求在测量二者速率的同时测量位置所能达到的最小不确定度Dx。解：（1）电子位置的不确定度电子动量不确定度（2）子弹位置的不确定度子弹动量不确定度子弹很小，仪器测不出，用经典坐标、动量完全能精确描写。对微观粒子不能用经典力学来描写。能量和时间的不确定关系

在量子力学中，对能量和时间的同时测量也存在类似的不确定关系，即：

E表示粒子能量的不确定量，而t可表示粒子处于该能态的平均时间。

不确定关系是建立在波粒二象性基础上的一条基本客观规律，它是波粒二象性的深刻反应，也是对波粒二象性的进一步描述。

不确定关系是由物质本身固有的特性所决定的，而不是由于仪器或测量方法的缺陷所造成的。不论测量仪器的精度有多高，我们认识一个物理体系的精确度也要受到限制。不确定关系的物理意义

不确定关系说明经典描述手段对微观粒子不再适用。

不确定关系指明了宏观物理与微观物理的分界线。在某个具体问题中，粒子是否可作为经典粒子来处理，起关健作用的是普朗克恒量h的大小。思考宏观物体的运动特征：可以准确地测出它们在某一时刻所处的位置及运行的速度；可以描画它们的运动轨迹。四.电子云微观物体的运动特征：电子的质量很小，只有9.11×10-31千克；核外电子的运动范围很小（相对于宏观物体而言）；电子的运动速度很大；测不准小黑点的疏密表示电子在核外空间单位体积内出现的概率的大小。电子轮廓图的制作S能级的原子轨道电子云轮廓图-