三章 量子力学初中步.docVIP

PAGE  PAGE 10 第三章 量子力学初步 原子结构按电子的轨道运动来描述在原子物理的发展中是一个重要的成就，但也有其局限性（正如第二章所述）。量子力学对原子问题的处理开辟了一个新的门径。1924年德布罗意从光的二象性推断微粒的波动性。在这个基础上，薛定谔在1925年发现了一个描述原子的新理论，称做波动力学。同年海森伯独自提出了矩阵力学。这两种理论在数学形式上差别较大，而结论却相同，实质上是相同的理论。现在的量子力学融合了原来薛定谔和海森伯的理论以及其他好多人的贡献，成为微观体系的基本理论。 3.1 物质的二象性P78- 1、光的二象性 在干涉、衍射、偏振这些现象上，光显出波动性；在涉及能量的问题中，例如黑体辐射、光电效应等问题，光又显出微粒性。 一个光子的能量为： （1） 由质能关系 ，得光子的质量为 （2） 那么，光子的动量为 （3） 由上述（1）式和（3）式就可以看出，光具有波粒二象性。 2、微粒的波动性 德布罗意推想，光既在某些情况下具有波动性，在另一些情况下又具有微粒性，那么那些实物粒子，如电子、质子等，是否也具有波动性。他在1924 年提出了这个设想：如果实物粒子也具有二象性，那么半球光的两公式（1）和（3）也能用于实物粒子。同实物粒子联系着的波应该具有的波长为 （4） 人们称同实物粒子联系着的波为德布罗意波。 3、德布罗意波的实验验证（P79-82） 实物粒子的波动性已由实验证实。戴维孙和孔斯曼在德布罗意的确建议提出以前，在1921到1923 年间就观察到，电子被多晶体的金属表面散射时，在某几个角度上散射较强，当时未有合适的解释。其实这已经显示了电子的波动性。 戴维孙和革末继续进行了电子在晶体上散射的实验，到1927年发表了较准确的测量结果，证实了德布罗意的设想。他们的仪器如图3.1所示。在抽空的金属盒中有电子源G，由热金属丝发射的电子，加速后经过前后几个小孔，形成一道电子束，打在晶体T上。T可以绕一平行于电子束的轴转动。C是接收器，同一个灵敏电流计相接，用以测量收到的电子的数量。C可以在一圆弧上移动，圆弧的圆心在晶体T上，所以C可以在不同角度接受从T散射出来的电子。 电子的波长： （V用伏特来表示） （7） 由加在仪器上的加速电压可以算出波长。 电子如果确有波动性，那么电子束射在晶体上就像光一样会有衍射发生。 图3.2就是电子在晶体中的衍射。 实验已证实了电子的波动性。 3.2 测不准原理 P82-86 1、位置与动量之间的测不准关系 P82- 在经典力学的概念中，一个粒子的位置和动量是可以同时精确测定的。在量子理论发展后，提示出，要同时测出微观物体的位置和动量，其精密度是有一定限制的，这个限制来源于物质的二象性。即 （1） 这里，为普朗克常数。 这公式表示出同时测定一个微粒的位置和动量的精密度的极限。这个规律直接来源于物质具有的微粒和波动的二象性。 这个测不准关系表明，如果要把粒子的动量非常精密地测定，即，那么位置就非常不确定，即。反之，要位置精确测定，动量就非常不确定。 2、能量与时间之间的测不准关系 P84- 测不准关系也存在于能量与时间之间。一个体系处于某一状态，如果时间有一段Δt不确定，那么它的能量也有一个范围ΔE不确定，二者的乘积有如下关系： （2） 由能量与时间之间的测不准关系可推导出位置与动量之间的测不准关系，有 3、测不准关系的普遍原理 凡是经典力学中共轭的动力变量之间都有这个关系。除上面说到的两式外，还有角动量和角移之间的测不准关系。现将各种测不准关系开列在下面，其中动量和位置的关系分为三维的形式： 测不准原理来源于物质的二象性，既是微粒，又是波，这是微观物质表现出来的性质。所以测不准原理是物质的客观规律，不是测量技术和主观能力的问题。 3.3 波函数及其物理意义 P86- 波函数：实物粒子的德布罗意波也可以用公式来表示，相当于弹性波的位移或电磁波的电场强度或磁场强度的一个量，我们作一个符号代表，称为波函数。 1、一个自由粒子的波 自由粒子不受力，动量不变，所以同它联系的波长也不变，是单色波。代表平面单色波的公式