14.4量子力学的建立和哥本哈根课程.ppt

量子现象不只属于被观测的客体，而是属于客体和仪器整体，反映的不仅仅是客体的存在和性质，而且是客体和仪器的“关系”。 不同的实验装置决定了不同的可测量，显示出客体某些方面的特性而抑制其他方面的特性。 显示粒子性 抑制波动性 显示波动性 抑制粒子性 所以，我们得出的各种结论不是互相排斥、对立的，而是互相补充协调的，共同揭示客体的属性。 微观客体的本来面目究竟如何？已超出经验范围，用经典概念和语言来描述只能是互补性的，不确定关系就是对互补原理的数学表述。 类比：相对论中，长度、寿命、质量的测量结果反映了 客体与作为参考的惯性系间的关系。 仅在“课堂”条件下观察，不可能了解某同学在 运动方面的特长。 玻尔的“互补原理”（1928年） 1928年，尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（Niels Henrik David Bohr，丹麦，哥本哈根学派创始人）提出“互补原理”。 电子（光子）既是粒子，又是波，具有波粒二象性。讨论电子“本来”是什么毫无意义，我们唯一确定的是每次我们观察到的电子是什么。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在一个更高的层次上统一到一起，做为电子的两面被纳入到一个整体概念中。 “物理学不告诉我们世界是什么，而是告诉我们关于世界我们能谈论些什么”——玻尔 1922年诺贝尔物理学奖获得者 实物粒子 – 物质波 波粒二象性：遵从由物质波强度描述的概率性统计规律 不确定关系：定量地描述微观粒子运动中的不确定性 由于量子化原理的作用量子 ： h＝6.626×10－34 J · s的量纲是两个共轭可观测量的乘积：能量×时间，或动量×长度，所以一对共轭量的相对测量范围难以确定，即不确定关系。 2. 动量 — 坐标不确定关系（1927年，海森伯） 微观粒子的位置坐标 x 、 动量 分量 px 不能同时具有确定的值。 一个量确定的越准确，另一个量的不确定程度就越大。 分别是 x、 px 的不确定量，其乘积 下面借助电子单缝衍射试验加以说明。 一级最小衍射角 电子经过缝时的位置不确定 . 电子经过缝后 x 方向动量不确定 电子的单缝衍射实验 考虑衍射次级有 原子的线度约为 10-10 m ，求原子中电子速度的不确定量。 电子速度的不确定量为 氢原子中电子速率约为 106 m/s。速率不确定量与速率本身的数量级基本相同，因此原子中电子的位置和速度不能同时完全确定，也没有确定的轨道。 原子中电子的位置不确定量 10-10 m，由不确定关系 例 解 说明 3. 能量 — 时间不确定关系 反映了原子能级宽度△E 和原子在该能级的平均寿命 △t 之间的关系。 基态 辐射光谱线固有宽度 激发态 E 基态 寿命△t 光辐射 能级宽度 平均寿命 △ t ~ 10-8 s 平均寿命 △ t ? ∞ 能级宽度 △E ? 0 大学物理电子教案 思想方法 自然界在许多方面都是明显地对称的，他采用类比的方法提出物质波的假设 。 “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’的图象想得太多 ，而过分地忽略了波的图象呢？” 法国物理学家德布罗意（Louis Victor de Broglie 1892 – 1987 ) 14.4 量子力学的建立及哥本哈根解释 假设: 实物粒子具有 波动性。 波动性 ( ? , v) 粒子性 (m , p) 光 + + 实物粒子 ？ + 一. 粒子的波动性——德布罗意假设(1924年) 频率 波长 和实物粒子相联系的波称为物质波或德布罗意波。 革末—戴维孙电子散射实验(1927年)，观测到电子衍射现象。 X射线 电子束 （波长相同） 衍射图样 电子双缝干涉图样 物质波的实验验证： 杨氏双缝干涉图样 计算经过电势差 U1 =150 V 和 U2 =104 V 加速的电子的德布罗意波长（不考虑相对论效应）。 例 解 根据 ，加速后电子的速度为 根据德布罗意关系 p = h /λ，电子的德布罗意波长为 波长分别为 说明 观测仪器的分辨本领 电子波波长 光波波长 电子显微镜分辨率远大于 光学显微镜分辨率 1925年24岁的德国物理学家海森伯(Werner Karl Heisenberg)在德国物理学家43岁的波恩(Max Born)和23岁的约尔丹的帮助下创立矩阵