波粒二象性与不确定原理

1、目的：用量子力学与群论方法相结合，理解原子与分子的结构 - 性能关系 内容： 量子力学基础 原子与双原子分子 群论基础 多原子分子 分子光谱简介 安排： 课程参考：潘道凯课本+科大教科书+教案 成绩考核：平时成绩+期末考试 习题下载：,结构化学课程简介,第一讲 波粒二象性 不确定性原理,粒子与波,经典图像：波粒不可调和,经典粒子 颗粒性 + 相空间确定轨道 经典波 相干性 + 物理量时空分布,量子观点：波粒二象性,颗粒性(能量+动量)与相干性(频率+波长)可共存 粒子不必有确定轨道，波不必有物理量时空分布,1.光的粒子性,黑体辐射：Planck量子化(1910),Wein经验公式：低频失效,R

2、eyleigh-Jeans：紫外灾难,能量量子化,Planck公式：完全吻合！,光的粒子性,光电效应：Einstein光子说 (1905),实验事实： 存在阈值频率；出射电子能量与频率有关，与光强无关 经典波动学说：光能依赖于光强，而不是频率 光子假说：能量依赖于频率,颗粒性,相干性,1923年，康普顿散射进一步证明光具有粒子性，且在微观粒子碰撞事件中，满足能量动量守恒,2.微观粒子的波动性,问题：光具有粒子性，粒子是否有波动性？,德布罗意波(物质波)假说 (1924),相干性,颗粒性,自由粒子平面波：动量恒定，空间弥散,2.微观粒子的波动性,束缚态电子：定态驻波,Bohr量子化条件,2.微观

3、粒子的波动性,电子波动性实验验证：单晶衍射, 1927年，戴维逊-革末实验，用电子束垂直投射到镍单晶(d=0.091nm)，电子束被散射,2.微观粒子的波动性,电子波动性实验验证：薄片衍射, 1927年，汤姆逊（G.P.Thomson）实验，电子在穿过金属箔片后产生衍射环, 电子衍射实验证明了德布罗意关系的正确性,2.微观粒子的波动性,电子波动性实验验证：双缝干涉, 1961年，约翰孙（Johnson）在铜膜上刻出相距d=1m，宽b=0.3m的双缝，直接做了电子双缝实验,单个电子集中于一点粒子性 屏上落点随机分布，积累后出现干涉花纹 单个随机，统计有规律 条件一定，重复实验，衍射条纹不变 统计

4、分布一定 双峰齐开与先后开一峰，条纹不同 非概率简单叠加 单电子实验，花纹再现 单个电子有“波动性”，电子与自身干涉，“同时出现在两个地方” 哪条路检测器，条纹消失 “逻辑绞索”,电子的经历：出来是粒子，打到屏幕上也是粒子，但好像是以波的形式走完这段路程，并受某种特定的函数约束！,双缝实验短片,双缝实验的理解,子弹,水波,电子,经典粒子：无干涉类型,经典波：干涉类型,干涉项,概率和,波幅求和,电子：粒子概率+干涉条纹,概率波幅,波包说: 波是电子的内部结构，电子是波包 波包会发散，不稳定 分布说: 大量电子产生的疏密波 单个电子亦有波动性,曾经两种错误观点,“亦粒亦波，非粒非波”,波粒二象性,

5、有颗粒性和相干性，无确定轨道和实在物理量变化，是量子客体的内禀性质，受概率波支配,费曼说：只问能说些什么，别问怎么回事！,波粒二象性,少女？,老妇？,两种图象不会同时出现在你的视觉中！,类比：你看到了什么？,3.不确定性原理,问题：波粒二象性导致经典轨道何种程度失效？,简单说明,严格关系,不能同时确定 无法准确测定,电子在哪儿，跑多快？,(Heisenberg 1927),3.不确定性原理,能量-时间不确定性关系：,量子态寿命能级涨落 光谱自然线宽,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,4.量子力学与Nobel奖,习题,A1: 已知琴弦振动的驻波条件为 （n1，2，, a为弦长）。按照“定态即驻波”的说