高中基础物理3-1温度与热.pptVIP

量子化-連續性 量子化-連續性 量子化-連續性 機率性-決定性 機率性-決定性 機率性-決定性 機率性-決定性 測不準性-精確性 測不準性-精確性 測不準性-精確性 測不準性-精確性 網路資源： 量子化-連續性 測不準性-精確性 機率性-決定性 9-3 近代物理學的 革命性概念-量子化、機率性、不準性 郭慶生老師祝你學業進步 十九世紀末，物體熱輻射時只發出特定頻率的光的現象，一直困擾著科學家們。 2 of 13 他認為能量不是連續的量，稱為量子。 從能量量子化所推導的理論公式完全符合實驗的數據，因此卜朗克的量子論標幟了近代物理的起點，在此之前的物理學統稱為古典物理學。 1900年，德國物理學家卜朗克跳出舊有想法的庭架，提出能量「量子化」的新概念，來解釋上述現象。 1905年，愛因斯坦擴展了量子概念。他認為光就是一種量子，兼具波動和粒子的雙重性質，稱之為「光子」。 3 of 13 他利用光子的想法，來論述當時古典物理無法解釋的光電效應，在十年後被密立坎以實驗證實。 至此愛因斯坦統一了歷經兩世紀之久，有關於光的「粒子說」、「波動說」兩派爭論。 關於光的爭論，一直從十七世紀的牛頓與海更士開始，直到二十世紀愛因斯坦提出光具有波、粒二元性為止。 1911年，拉塞福發現了原子核的存在 4 of 13 1913年，波耳結合牛頓力學與卜朗克、愛因斯坦的量子論，提出一個創新的原子模型，稱為波耳原子模型。 原子內的電子環繞原子核作圓軌道運動，但電子依據「角動量」量子化的原則，只能在幾個被允許的特定軌道上運動，因此電子運動的能量是量子化的(意即不連續的、不能取任意值的)。 與古典概念「電子運動的能量可以是任意值」不同。 1924年，德布羅意擴展愛因斯坦的觀點，認為所有的粒子，如同光子一樣，兼具粒子和波動的二元性，其中粒子所呈現的波稱為物質波。 5 of 13 1926年薛丁格、海森堡和玻恩分別從物質波的基本概念出發，以「波函數」描述物體的運動，建構了量子力學，取代了量子論，成為研究微小粒子運動所必須遵循的理論。 6 of 13 玻恩在量子力學中更提出了機率的概念。他認為，電子的波動性導致電子在原子中的位置不能完全確定，因此電子的出現應該呈現機率性的分佈。(機率理論上P12應等於P1+P2，但事實則如下右圖！) 7 of 13 右圖為利用電子來做實驗的結果： (A)為電子穿過雙狹縫產生干涉條紋的照片。 (B)為遮蔽其中一狹縫的照片，顯示干涉條紋消失。 8 of 13 玻恩在量子力學中更提出了機率的概念。他認為，電子的波動性導致電子在原子中的位置不能完全確定，因此電子的出現應該呈現機率性的分佈。(如圖) 1928年，德國物理學家狄拉克更結合了相對論，發展出相對論性量子力學。 換句話說，電子不是遵守波耳模型定出的圓軌道而運動，而是在原子核外呈現雲狀的機率分佈。 顏色越深代表電子出現的機率越高！ 海森堡稍後提出了測不準原理，認為一個粒子的粒子性和波動性是互補的。 9 of 13 當粒子性顯著時，波動性就隱晦；反之波動性增強時，粒子性就減弱。 測不準原理告訴我們，在實驗中，不可能同時且準確地測量出一個粒子的動量(波動性)和位置(粒子性)。 上述量子力學中的「機率性」和「不準性」與古典的因果律的概念相衝突。 10 of 13 牛頓力學(即古典)主張，被斜向拋出的物體，若能知道其初速度與仰角，便可以準確地決定拋體落地的地點。(知因必斷果) 根據量子力學與測不準原理，我們只能回答「落在某地的機率有百分之多少」這類的答案。 波耳巧妙地化解兩者的衝突，他說：「若有確定的『因』，當然會產生確定的『果』；若『因』無法確定，則『果』亦隨之無法確定。 」 巧妙吧！ 比較古典物理學和近代物理學的概念差異： 11 of 13 機率性 決定性 結果預測 測不準確性 精確的 實驗測量 能量是量子化的 能量是連續的 能量概念 近代物理 古典物理 (12)在原子內的電子，是否在各自確定的圓軌道上，環繞原子核轉動？ (13)德布羅意認為所有的粒子，都具有粒子和波動的二象性。我門日常生活中所習見的鋼珠或棒球，是否也可設計實驗，顯示它們的波動性？ (14)比較古典物理學和近代物理的概念，有何差異之處？ (15)牛頓力學在哪些情況下不適用？ 習題9-3 12 of 13