第四章

波粒二象性第4~5節(jié)

德布羅意波不確定性關(guān)系通過對(duì)雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問題的研究，人們終于認(rèn)識(shí)到光既有粒子性，又有波動(dòng)性。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到如電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子是具有粒子性的，那么實(shí)物粒子是否也會(huì)同時(shí)具有波動(dòng)性呢？1.了解德布羅意波假說2.了解不確定性關(guān)系，知道經(jīng)典物理與微觀物理的區(qū)別一、德布羅意波假說德布羅意(De·Broglie)，法國物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，量子力學(xué)的奠基人之一。1923年發(fā)表了題為“波和粒子”的論文，提出了物質(zhì)波的概念。德布羅意提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系。粒子的能量ε和動(dòng)量p跟它所對(duì)應(yīng)的波的頻率ν和波長λ之間，遵從如下關(guān)系：這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波后來被稱為德布羅意波，也叫作物質(zhì)波。我們知道波是可以發(fā)生衍射和干涉的，如果德布羅意波真的存在，那么實(shí)物粒子也應(yīng)該能夠發(fā)生衍射或干涉！能否通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證德布羅意假說

干涉衍射二、電子衍射屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子束衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射圖樣1.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——①衍射圖樣

1927年C.J.戴維森和G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫之子）分別利用單晶和多晶晶體做了電子束衍射的實(shí)驗(yàn)，得到了的衍射圖樣，從而證實(shí)了電子的波動(dòng)性。G.P湯姆孫戴維森大量電子的一次行為2.

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——②干涉圖樣

在后來的實(shí)驗(yàn)中，人們還進(jìn)一步觀測(cè)到了電子德布羅意波的干涉現(xiàn)象。電子干涉條紋電子雙縫實(shí)驗(yàn)德布羅意提出物質(zhì)波的觀念被證實(shí)，表明實(shí)物粒子也具有波粒二象性。問題：為什么我們看不到實(shí)物粒子的波動(dòng)性呢？如質(zhì)量為0.01kg的子彈，速度是300m/s，那么計(jì)算出的波長是？

比原子核的半徑還要小19個(gè)數(shù)量級(jí)。這根本測(cè)不出衍射，所以宏觀物體幾乎看不到波動(dòng)性只表現(xiàn)粒子性。原子核：r—10-15m

說明：任何物體，小到電子、質(zhì)子，大到行星、太陽都存在波動(dòng)性，我們之所以觀察不到宏觀物體的波動(dòng)性，是因?yàn)楹暧^物體對(duì)應(yīng)的波長太小的緣故。德布羅意假說是光子的波粒二象性的一種推廣，使之包括了所有的物質(zhì)粒子，即光子與實(shí)物粒子都具有粒子性，又都具有波動(dòng)性，與光子對(duì)應(yīng)的波是電磁波，與實(shí)物粒子對(duì)應(yīng)的波是物質(zhì)波。一般宏觀物體物質(zhì)波的波長很短，波動(dòng)性很不明顯，難以觀察到其衍射現(xiàn)象，如只有利用金屬晶格中的狹縫才能觀察到電子的衍射圖樣。三、不確定性關(guān)系入射粒子xyOa細(xì)縫處位置不確定范圍取決于縫寬a=Δx。問題：一個(gè)光子通過狹縫的瞬間，它是從擋板左側(cè)哪個(gè)準(zhǔn)確位置進(jìn)入細(xì)縫呢？也就是說，光子通過狹縫的瞬間，其坐標(biāo)x為多少答案：完全不確定。不確定范圍有多大坐標(biāo)X位置不確定范圍是Δx，可用縫寬a來表示。（Δx）入射粒子xyOaθ結(jié)論：微觀粒子的位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越不準(zhǔn)確。動(dòng)量測(cè)得越準(zhǔn)確，位置就越不準(zhǔn)確。x入射粒子yOaθ海森伯不確定關(guān)系1927年海森伯提出：不確定性關(guān)系Δx表示粒子位置的不確定量Δp表示粒子在X方向上的動(dòng)量的不確定量

h是普朗克常量1.物理意義：2.微觀本質(zhì)：是微觀粒子的波粒二象性及粒子空間分布遵從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的必然結(jié)果。不確定關(guān)系式表明：微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得越準(zhǔn)確(

x0)

，動(dòng)量就越不準(zhǔn)確(

p

)

；微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得越準(zhǔn)確(

p0)

，坐標(biāo)就越不準(zhǔn)確(

x

)

。微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)宏觀物體微觀粒子具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量，可用牛頓力學(xué)描述沒有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量，需用量子力學(xué)描述有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡有概率分布特性，不可能分辨出各個(gè)粒子的軌跡體系能量可以為任意的、連續(xù)變化的數(shù)值能量量子化不確定度關(guān)系無實(shí)際意義遵循不確定度關(guān)系坐標(biāo)動(dòng)量軌跡能量不確定性關(guān)系經(jīng)典物理和微觀物理的區(qū)別1.下列關(guān)于德布羅意波的認(rèn)識(shí)正確的是(

)A.任何一個(gè)物體都有一種波和它對(duì)應(yīng),這就是物質(zhì)波B.X光的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的C.電子的衍射證實(shí)了物質(zhì)波的假設(shè)是正確的D.宏觀物體運(yùn)動(dòng)時(shí),看不到它的衍射或干涉現(xiàn)象,所以宏觀物體不具有波動(dòng)性C2.關(guān)于經(jīng)典力學(xué)、相對(duì)論與量子論的說法正確的是(

)A.當(dāng)物體的速度接近光速時(shí),經(jīng)典力學(xué)就不適用了B.相對(duì)論和量子力學(xué)的出現(xiàn),使經(jīng)典力學(xué)失去了意義C.量子力學(xué)能夠描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性D.萬有引力定律也適用于強(qiáng)相互作用力AC3.以下關(guān)于物質(zhì)波的說法中正確的是（??）A．實(shí)物粒子與光子都具有波粒二象性，故實(shí)物粒子與光子是本質(zhì)相同的物體B．一切運(yùn)動(dòng)著的物體都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系C．機(jī)械波、物質(zhì)波都不是概率波D．實(shí)物粒子的動(dòng)量越大，其波動(dòng)性越明顯，越容易觀察B

1.實(shí)物粒子和光一樣具有波粒二象性。2.德布羅意波的波長：3.海森伯提出：不確定性關(guān)系不確定關(guān)系式表明：微觀粒子不可能同時(shí)具有確