[理学]17 量子光学.ppt

第五篇 量子物理学 《量子物理学概述》 一.量子物理学简要 1.量子物理学：研究微观粒子运动规律的科学学科。 通俗言之：微观粒子指分子，原子，电子，光子等 诸多物质；所谓“量子”即指“不连续性”。 有趣的物理常数 三.光的波粒二象性——基本关系式 粒子性：能量? ，动量P 波动性：波长? ，频率? 光静质量：m0=0 （惯性质量） 一般的思维方式对于这种矛盾感到费解，因为我们必须使用语言来交流我们的经验，而这种经验就其本质而言是超越语言的。 ——（日）铃木大拙 在有些情况下，光突出显示出波动性；而在另一些情况下， 则突出显示出粒子性。粒子不是经典粒子, 波也不是经典波。 近代认为光具有波粒二象性 整整五十年有意识地思考，还没有使我更接近光量子是什么的答 案。当然，今天每一个不老实的人认为他知道答案了，但他是在 欺骗他自己。 ——爱因斯坦 优秀的数学家在定理或理论之间看到了类似，卓越的数学家则从类似中间看到了类似。 ——数学家：巴拿赫 一. 德布罗意物质波假设 1924，法国物理学家德布罗意研究了光的波粒二象性后，大胆假设实物粒子也具有波动性，只不过寻常被粒子性掩盖不见罢了。因此提出： 并且 这与实物粒子相联系的波称为物质波，或德布罗意波 §20-6 德布罗意物质波 一切实物粒子都具有波粒二象性 小小的h把粒子与波联系在一起！ 大大的c把物质与能量联系在一起！ 我们惊异莫名！ 德布罗意从光具有波粒二象性出发认为实物粒子也应具有波动性。 1924年11月他在巴黎大学提交博士论文中提出：“我们因而倾向于假定，任何运动物体都伴随着一个波动，而且不可能把物体的运动跟波的传播拆开。”——这种波既不是机械波也不是电磁波，称为物质波或德布罗意波。 在答辩会上有人问： “这种波怎样用实验来证实呢？” 德布罗意答：“可以从电子在晶体上散射这样的实验中检查到这样的波。” 虽然后来的实验验证由戴维孙和革末完成了，但当时纯粹是理论推测。 德布罗意物质波假设 德布罗意 (L.V. de Broglie1892-1986)法国物理学家，量子力学的奠基人之一。由于一句“疯话”而获1929年诺贝尔物理学奖。 朗之万把德布罗意的文章寄给爱因斯坦，爱因斯坦说： “瞧瞧吧，看来疯狂，可真是站得住脚呢！” “这揭开了自然界巨大帷幕的一角！” 尽管此假说有待实验检验，但爱因斯坦还是推荐德布罗意取得了博士学位，并还是因博士论文而获诺贝尔奖之第一人。 对于电子， m= 9.1?10-31 kg，设加速电压为U，估算其波长。 相当于晶格常数量级，通过类似于晶体对X射线的衍射，可以实现晶体对电子的衍射——从而可以证实电子具有波动性。 估算:m=0.01kg，V=300m/s的子弹波长 二．物质波实验验证 ?极其微小→难以测量→波动性无法表现出来！宏观物体只表现出粒子性。 贝耳电话公司实验室研究电子在镍单晶上的衍射（1927）。 戴维逊—革末（ C．J．Davisson，1881－1958； L．H．Germer，1895－1971 ） 实验装置示意图 假如电子具有波动性，应满足布喇格公式 ：2dsin ? =k? 此时电表中应出现最大的电流。 电子枪 探测器 I *1927，戴维逊——革末电子衍射实验 若固定? 角，改变加速电压，会多次出现电流极大 I 实验结果: 电子的单缝、双缝、三缝和四缝衍射实验（约恩逊1961) 1927年英国物理学家G.P.汤姆逊做了电子通过金多晶薄膜的衍射实验。 *G.P.汤姆逊实验 衍射图象 1937诺贝尔物理学奖得主C.J.戴维孙 通过实验发现晶体对电子的衍射作用 1937诺贝尔物理学奖得主J.P.汤姆孙 通过实验发现受电子照射的晶体中的干涉现象 另有质子，中子实验——一袋黑芝麻的严谨证实法 对波粒二象性的理解 波粒二象性：既是粒子又是波；既非粒子又非波。 盲人摸象寓言 盲人未知大象。有大象来，盲人摸之，曰：是扇；是墙；是柱；是绳。原来，大象是“四象”！其实，又是“四不象”——大象就是大象！ 我们既是观众又是演员。——玻尔 德布罗意物质波的数学表示——波函数 粒子性：指它与物质相互作用的 “整体性”。但不是经典的粒子，因为微观粒子无确定的轨道。 波动性：指有“弥散性”、“叠加性”、可“干涉”、“衍射”。但不是经典的波。波粒——几率联系。 情人眼里出西施 世有伯乐才有千里马 智者见智，仁者见仁 对“波粒二象性”的