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崭新的一页粒子的波动性及概率波
作业布置 课时作业本第三、四、五节 17.3 崭新的一页: 粒子的波动性 德布罗意 (due de Broglie, 1892-1960) 1923年,德布罗意最早想到了这个问题,并且大胆地设想,对于光子的波粒二象性会不会也适用于实物粒子。 光具有粒子性,又具有波动性。 光子能量和动量为 上面两式左边是描写粒子性的 E、P;右边是描写波动性的 ?、?。 将光的粒子性与波动性联系起来。 实物粒子:静止质量不为零的那些微观粒子。 1.一切实物粒子都有具有波粒二象性。 一、粒子波动性的假设 实物粒子的波粒二象性的意思是:微观粒子既表现出粒子的特性,又表现出波动的特性。 实物粒子的波称为德布罗意波或物质波,物质波的波长称为德布罗意波长。 2.德布罗意关系式 德布罗意把爱因斯坦对光的波粒二象性描述应用到实物粒子, 动量为 P 的粒子波长: 德布罗意公式 德布罗意是第一个由于博士论文(提出的物质波的假设)获得了诺贝尔奖。 频率: 一个质量为m的实物粒子以速率v 运动时,即具有以能量E和动量P所描述的粒子性,同时也具有以频率和波长所描述的波动性。 德布罗意关系 如速度v=5.0?102m/s飞行的子弹,质量为m=10-2Kg,对应的德布罗意波长为: 如电子m=9.1?10-31Kg,速度v=5.0?107m/s, 对应的德布罗意波长为: 太小测不到! X射线波段 X 射线照在晶体上可以产生衍射,电子打在晶体上也能观察电子衍射。 1927年 C.J.戴维森与 G.P.革末作电子衍射实验,验证电子具有波动性。 二.德布罗意波的实验验证 1. 电子衍射实验1 戴维逊和革末的实验是用电子束垂直投射到镍单晶,电子束被散射。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释,从而验证了物质波的存在。 探测器 电子束 电子枪 镍单晶 1927年 G.P.汤姆逊(J.J.汤姆逊之子) 也独立完成了电子衍射实验。与 C.J.戴维森共获 1937 年诺贝尔物理学奖。 屏 P 多晶薄膜 高压 栅极 阴极 2. 电子衍射实验2 电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后,也象X射线一样产生衍射现象。 此后,人们相继证实了原子、分子、中子等都具有波动性。 电子衍射图样 17.4 概率波 玻恩(1882--1970) 一、经典的粒子和经典的波 两种模型: ①粒子模型 ②波动模型 例如:干涉、衍射现象 气体的压强等等 经典物理学中粒子运动的基本特征:任意时刻有确定位置和速度以及时空中的确定轨道 经典波的特征:频率、波长即时空的周期性 思考1:波和粒子是两种不同的研究对象,具有非常不同的表现,那么,为什么对于光子、电子和质子等粒子又能集它们于一身呢? 二、概率波 明纹处到达的光子数多,暗纹到达的光子少 这是否可以认为,是光子之间的相互作用使它表现出了波动性,而不是光子本身就具有波动性呢? 思考2:一个光子通过狭缝后到底落在屏上的哪一点呢? 1926年德国物理学家波恩指出:光子落在明处的概率大,落在暗处的概率小。 光的波动性不是光子之间的相互作用引起的,而是光子自身固有性质。 光子在空间出现的概率可以通过波动的规律确定,所以从光子的概念上看,光波是刻画光子在空间的概率分布的一种概率波 三、电子干涉条纹对概率波的验证 与电子等微观粒子相联系的物质波也是刻画粒子在空间分布的概率波 单个粒子 位置不确定 大量粒子 确定的宏观结果 如干涉条纹 第五节 不确定关系 德国著名的现代物理学家。1924年进入哥廷根大学深造,先后拜师于玻尔和波恩门下。 海森伯 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 一、光的单缝衍射 激光束 像屏 若光子是经典粒子,在屏上的落点应在缝的投影之内 由于衍射,落点会超出单缝投影的范围,其它粒子也一样,说明微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律,不能同时用粒子的位置和动量来描述粒子的运动了 入射粒子 屏上各点的亮度实际上反映了粒子到达该点的概率 1、粒子在挡板左侧位置完全不确定 2、在缝处位置不确定范围是缝宽a=Δx 3、在缝后X方向有动量,也是不确定的,Δpx 若减小缝宽:位置的不确定范围减小,但中央亮纹变宽,所以X方向动量的不确定量变大 二、海森伯不确定关系 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
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