大學(xué)物理學(xué)電子教案---量子物理-德布羅意

1、大學(xué)物理學(xué)電子教案,,量子物理（3）,19-6 德布羅意波 實(shí)物粒子的二象性19-7 不確定關(guān)系,,復(fù) 習(xí),康普頓效應(yīng)氫原子的玻爾理論氫原子光譜的規(guī)律性盧瑟福的原子有核模型氫原子的玻爾理論弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋,19－6 德布羅意波 實(shí)物粒子的二象性,德布羅意 (Louis Victor due de Broglie, 1892-1960),,德布羅意原來學(xué)習(xí)歷史，后來

2、改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對比的方法分析問題。 1923年，德布羅意試圖把粒子性和波動性統(tǒng)一起來。1924年，在博士論文《關(guān)于量子理論的研究》中提出德布羅意波,同時提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。 愛因斯坦覺察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開一幅大幕的一角”。,法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，波動力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。,一、德布羅意假設(shè),一個質(zhì)量為m

3、的實(shí)物粒子以速率v 運(yùn)動時，即具有以能量E和動量P所描述的粒子性，也具有以頻率n和波長l所描述的波動性。,這種波稱為德布羅意波，也叫物質(zhì)波。,德布羅意公式,如速度v=5.0?102m/s飛行的子彈，質(zhì)量為m=10-2Kg，對應(yīng)的德布羅意波長為：,如電子m=9.1?10-31Kg，速度v=5.0?107m/s, 對應(yīng)的德布羅意波長為：,,,太小測不到！,X射線波段,例題1：從德布羅意波導(dǎo)出氫原子波爾理論中的角動量量子化條件。德布羅意

4、把原子定態(tài)與駐波聯(lián)系起來，即把能量量子化與有限空間駐波的波長和頻率聯(lián)系起來。如電子繞原子一周，駐波應(yīng)銜接，所以圓周長應(yīng)等于波長的整數(shù)倍。,再根據(jù)德布羅意關(guān)系,得出角動量量子化條件,二、德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,1、戴維遜-革末實(shí)驗(yàn),,K,戴維遜和革末的實(shí)驗(yàn)是用電子束垂直投射到鎳單晶，電子束被散射。其強(qiáng)度分布可用德布羅意關(guān)系和衍射理論給以解釋，從而驗(yàn)證了物質(zhì)波的存在。1937年他們與G. P.湯姆孫一起獲得Nobel物理學(xué)獎。,實(shí)驗(yàn)裝置：電

5、子從燈絲K飛出，經(jīng)電勢差為U的加速電場，通過狹縫后成為很細(xì)的電子束，投射到晶體M上，散射后進(jìn)入電子探測器，由電流計(jì)G測量出電流。,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單調(diào)地增加加速電壓，電子探測器的電流并不是單調(diào)地增加的，而是出現(xiàn)明顯的選擇性。例如，只有在加速電壓U=54V,且θ=500時，探測器中的電流才有極大值。,Θ/2,Θ/2,,,實(shí)驗(yàn)解釋：,當(dāng)加速電壓U=54V，加速電子的能量eU=mv2/2，電子的德布羅意波長為,X射線實(shí)驗(yàn)測得鎳單晶的晶格

6、常數(shù)d=0.215nm,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：理論值(θ=500)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(θ=510)相差很小，表明電子電子確實(shí)具有波動性，德布羅意關(guān)于實(shí)物具有波動性的假設(shè)是正確的。,2、湯姆遜實(shí)驗(yàn),1927年，湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中，讓電子束通過薄金屬笛后射到照相底線上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與X射線通過金箔時一樣，也產(chǎn)生了清晰的電子衍射圖樣。,1993年，Crommie等人用掃描隧道顯微鏡技術(shù)，把蒸發(fā)到銅（111）表面上的鐵原子排列成半徑為7.13nm的圓環(huán)形量子圍欄，用實(shí)

7、驗(yàn)觀測到了在圍欄內(nèi)形成的同心圓狀的駐波(“量子圍欄”)，直觀地證實(shí)了電子的波動性。,3、電子通過狹縫的衍射實(shí)驗(yàn)：1961年，約恩孫 (Jonsson)制成長為50mm，寬為0.3mm ，縫間距為1.0mm的多縫。用50V的加速電壓加速電子，使電子束分別通過單縫、雙縫等，均得到衍射圖樣。,中子衍射,射線衍射,X,X射線經(jīng)晶體的衍射圖,電子射線經(jīng)晶體的衍射圖,由于電子波長比可見光波長小10-3?10-5數(shù)量級，從而可大大提高電子顯微鏡的分

8、辨率。1932年，德國的魯斯卡研制成功電子顯微鏡。我國已制成80萬倍的電子顯微鏡，分辨率為14.4nm.n， 能分辨大個分子有著廣泛的應(yīng)用前景。,三、應(yīng)用舉例,1、電子顯微鏡,2、掃描隧道顯微鏡,1981年，德國的賓尼希和瑞士的羅雷爾制成了掃描隧道顯微鏡，他們兩人因此與魯斯卡共獲1986年的諾貝爾物理學(xué)獎金。其橫向分辨率可得0.1nm，縱向分辨率可得0.001nm ，它在納米材料、生命科學(xué)和微電子學(xué)中起著不可估量的作用。,四、德布羅

9、意波的統(tǒng)計(jì)解釋,1、光的衍射,根據(jù)光的波動性，光是一種電磁波，在衍射圖樣中，亮處波的強(qiáng)度大，暗處波的強(qiáng)度小。而波的強(qiáng)度與振幅的平方成正比，所以衍射圖樣中，亮處的波的振幅的平方大，暗處的波的振幅平方小。根據(jù)光的粒子性：某處光的強(qiáng)度大，表示單位時間內(nèi)到達(dá)該處的光子數(shù)多；某處光的強(qiáng)度小，表示單位時間內(nèi)到達(dá)該處的光子數(shù)少。從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來看：相當(dāng)于光子到達(dá)亮處的概率要遠(yuǎn)大于光子到達(dá)暗處的概率。因此可以說，粒子在某處出現(xiàn)附近出現(xiàn)的概率是與該處波

10、的強(qiáng)度成正比的，而波的強(qiáng)度與波的振幅的平方成正比，所以也可以說，粒子在某處附近出現(xiàn)的概率是與該處的波的振幅的平方成正比的。,2．德布羅意波統(tǒng)計(jì)解釋,從粒子的觀點(diǎn)看，衍射圖樣的出現(xiàn)，是由于電子不均勻地射向照相底片各處形成的，有些地方電子密集，有些地方電子稀疏，表示電子射到各處的概率是不同的，電子密集的地方概率大，電子稀疏的地方概率小。從波動的觀點(diǎn)來看，電子密集的地方表示波的強(qiáng)度大，電子稀疏的地方表示波的強(qiáng)度小，所以，某處附近電子出現(xiàn)的概

11、率就反映了在該處德布羅意波的強(qiáng)度。對電子是如此，對其它粒子也是如此。普遍地說，在某處德布羅意波的振幅平方是與粒子在該處出現(xiàn)的概率成正比的。這就是德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋。,3．德布羅意波與經(jīng)典波的不同,機(jī)械波——機(jī)械振動在空間的傳播德布羅意波——是對微觀粒子運(yùn)動的統(tǒng)計(jì)描述，它的振幅的平方表示粒子出現(xiàn)的概率，故是概率波。,* 用電子雙縫衍射實(shí)驗(yàn)說明概率波的含義,(1)人射強(qiáng)電子流,干涉花樣取決于概率分布，而概率分布是確定的。,(2)人射弱

12、電子流,電子干涉不是電子之間相互作用引起的，是電子自己和自己干涉的結(jié)果。,例2. 計(jì)算下列運(yùn)動物質(zhì)的德布羅意波長,(1) 質(zhì)量100g, v = 10m·s?1運(yùn)動的小球。,(2) 以 2.0 ? 103m·s ?1速度運(yùn)動的質(zhì)子。,(3) 動能為 1.6 ? 10?7 J 的電子,19-7 不確定關(guān)系,海森伯（W. K. Heisenberg，1901-1976）,,德國理論物理學(xué)家。他于1925年為量子力學(xué)的創(chuàng)立

13、作出了最早的貢獻(xiàn)，而于25歲時提出的不確定關(guān)系則與物質(zhì)波的概率解釋一起奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。為此，他于1932年獲得諾貝爾物理學(xué)獎金。,一、引入,經(jīng)典力學(xué)，粒子的運(yùn)動具有決定性的規(guī)律，原則上說可同時用確定的坐標(biāo)與確定的動量來描述宏觀物體的運(yùn)動。在量子概念下，電子和其它物質(zhì)粒子的衍射實(shí)驗(yàn)表明，粒子束所通過的圓孔或單縫越窄小，則所產(chǎn)生的衍射圖樣的區(qū)域越大。,二、電子單縫衍射,電子通過單縫位置的不確定范圍,由于衍射，電子動量的大小不變，但是

14、其方向發(fā)生了改變?？紤]電子被限制在一級最小的衍射角范圍內(nèi)，有j =l/b，因此動量在 Ox軸上的分量的不確定度為,由德布羅意關(guān)系：,即對于微觀粒子不能同時用確定的位置和確定的動量萊描述，這就是不確定關(guān)系，也叫不確定原理，是1927年海森伯提出的。它是自然界的客觀規(guī)律，不是測量技術(shù)和主觀能力的問題，是量子理論中的一個重要概念。,上述討論只是反映不確定關(guān)系的實(shí)質(zhì)，并不表示準(zhǔn)確的量值關(guān)系。量子力學(xué)嚴(yán)格證明給出：,?x表示粒子在x方向上的位置的

15、不確定范圍，?px表示在x方向上動量的不確定范圍，其乘積不得小于一個常數(shù)。,若一個粒子的能量狀態(tài)是完全確定的，即?E=0 ，則粒子停留在該態(tài)的時間為無限長， ?t=? 。,三、不確定關(guān)系的數(shù)學(xué)表示與物理意義,例題1：一顆質(zhì)量為10g的子彈，具有200m/s的速度，動量的不確定量為0.01%，問在確定該子彈的位置時，有多大的不確定范圍？,解：子彈的動量為,子彈的動量的不確定量為,由不確定關(guān)系，可以得到子彈位置的不確定范圍為,這個不確定范圍

16、是微不足道的，可見不確定關(guān)系對宏觀物體來說，實(shí)際上是不起作用的。,例題2：一電子具有具有200m/s的速率，動量的不確定量為0.01%，問在確定該電子的位置時，有多大的不確定范圍？,解：電子的動量為,子彈的動量的不確定量為,由不確定關(guān)系，可以得到子彈位置的不確定范圍為,我們知道原子大小的數(shù)量級為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比電子本身的大小要大幾億倍以上。,四、不確定關(guān)系的應(yīng)用,1、估算氫原子可能具有的最低

17、能量,電子束縛在半徑為r 的球內(nèi)，所以,按不確定關(guān)系,當(dāng)不計(jì)核的運(yùn)動，氫原子的能量就是電子的能量：,代入上式得：,基態(tài)能應(yīng)滿足：,由此得出基態(tài)氫原子半徑：,基態(tài)氫原子的能量：,與波爾理論結(jié)果一致。,本例還說明：量子體系有所謂的零點(diǎn)能。,2、解釋譜線的自然寬度,原子中某激發(fā)態(tài)的平均壽命為,普朗克能量子假說,不確定關(guān)系,譜線的自然寬度,它能解釋譜線的自然寬度。,e- 和e+ 等粒子在氣泡室徑跡,例2．在威爾遜云室（或氣泡室）可看到一條白