2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子物理(共20张PPT).pptx

量子物理竞赛 1.一维一维有限宽有限宽方势垒方势垒两块金属或半导体接触处势能隆起，形两块金属或半导体接触处势能隆起，形成成势垒势垒 从势垒左方从势垒左方射入的粒子，射入的粒子，在各区域内的在各区域内的波函数：波函数：隧道效应隧道效应E E1 12 20 0a aU U0 0 x x区区区区区区3 3粒子从粒子从x=-处以确定能量处以确定能量E入射入射2.隧道效应隧道效应(3)定常数定常数 B由波函数的归一化性质由波函数的归一化性质得得于是，于是，波函数波函数(空间部分空间部分)阱内阱内阱外阱外考虑到考虑到振动因子振动因子是以是以x=0 和和x=a为为节点的一系列驻波解。节点的一系列驻波解。4.定态波函数定态波函数(包括包括空间、时间空间、时间部分部分)5.概率密度概率密度a0 0 x n n,n n 2 2 n=1n=1E=EE=E0 0 (基态基态)E=4EE=4E0 0 (第一第一激发态激发态)E=9EE=9E0 0 (第二第二激发态激发态)n=2n=2n=3n=3n=4n=4E=16EE=16E0 0(第三第三激发态激发态)一维一维无限深方势阱中粒子的波函数和概率密度无限深方势阱中粒子的波函数和概率密度粒子在阱中各处出现粒子在阱中各处出现的概率密度不均匀的概率密度不均匀时，时，量子量子经典经典|2n|an很大很大En0有限深有限深势阱中粒子的概率密度势阱中粒子的概率密度n=1n=2n=3Oax粒子在粒子在阱外阱外不不远处远处出现的概出现的概率不为零率不为零！从！从经典理论很难经典理论很难想象，但实验想象，但实验已证实了这种已证实了这种量子效应。量子效应。？粒子的能量虽粒子的能量虽不不足以足以超超越越势垒势垒 ,但在势垒中似乎有但在势垒中似乎有一个隧道一个隧道,能使少量粒子能使少量粒子穿穿过过而进入而进入 的区域的区域 ,所以形象地称之为所以形象地称之为势垒穿透势垒穿透势垒穿透势垒穿透或或隧道效应隧道效应隧道效应隧道效应 。隧道效应的隧道效应的本质本质:源于微观粒子的波粒二象性源于微观粒子的波粒二象性量子物理量子物理：粒子有：粒子有波动性波动性遵从遵从不确不确定定原理只要势垒宽度原理只要势垒宽度 x=a不是无不是无限大粒子能量就有不确定量限大粒子能量就有不确定量 E x=a很小时很小时 P和和 E很大很大经典经典:量子量子:隧道效应隧道效应E E1 12 20 0a aU U0 0 x x区区区区区区3 3经典物理经典物理：从能量守恒的角度看是不可能的：从能量守恒的角度看是不可能的 如何理解？如何理解？经典经典量子量子隧道效应隧道效应扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM）（Scanning Tunneling Microscopy）STM 是一项技术上的重大发明是一项技术上的重大发明 用于观察用于观察材料表面的微观结构材料表面的微观结构（不接触、不破坏样品）（不接触、不破坏样品）3.隧道效应的应用隧道效应的应用隧道二极管隧道二极管 金属场致发射金属场致发射 核的核的 衰变衰变通过扫描可观通过扫描可观测固体测固体表面的表面的微观结构微观结构.探探针头还可吸附针头还可吸附并搬动原子，并搬动原子，形成形成人工微结人工微结构构.应用：应用：STM(STM(扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜19821982年年)19861986年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖隧道隧道电流电流反馈传感反馈传感器器参考信号参考信号显示器显示器压电压电控制控制加电压加电压扫描隧道显微镜示意图扫描隧道显微镜示意图某种型号的扫描隧道显微镜某种型号的扫描隧道显微镜原子搬迁：原子搬迁：操纵原子不是梦操纵原子不是梦 “原子书法原子书法”1994 1994年中国科学院科学家年中国科学院科学家“写写”出的出的 平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米平均每个字的面积仅百万分之一平方厘米“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 插页彩图插页彩图1313硅单晶硅单晶表面直表面直接提走接提走硅原子硅原子形成形成2 2纳米的纳米的线条线条镶嵌了镶嵌了48个个Fe原子的原子的Cu表面的表面的STM照片照片 Fe原子间距：原子间距：0.95 nm，圆圈平均半径：圆圈平均半径：7.13 nm48个个Fe原子形成原子形成“量子围栏量子围栏”，围栏中的电子形成驻波。围栏中的电子形成驻波。“扫描隧道绘画扫描隧道绘画”一氧化碳一氧化碳“分子人分子人”“原子和分子的观察与操纵原子和分子的观察与操纵”-白春礼白春礼 P.151 图图7-8CO分子竖分子竖在铂片上在铂片上分子人高分子人高5nm用用STM得到的神经细胞象得到的神经细胞象硅表面硅表面STM扫描图象扫描图象 4 谐振子谐振子1.势函数势函数m 振子质量，振子质量，固有频率固有频率，x 位移位移2.定态薛定谔方程定态薛定谔方程3.能量本征值能量本征值谐振子不仅是经典物理的重要模型谐振子不仅是经典物理的重要模型,也是量子物理也是量子物理的重要模型的重要模型,如如固体中原子的振固体中原子的振动动即可用此模型即可用此模型。x xn n很大很大E En nE E1 1E E2 2E E0 00 0U U(x x)4.4.能量特点能量特点：(1)(1)量子化量子化 等间距等间距 符合不确定关系符合不确定关系概率分布特点概率分布特点:E E U U 区有区有隧道效应隧道效应(2)(2)有零点能有零点能