【教学课件】第一章引言-量子力学基本原理.ppt

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1、 第一章第一章 引言引言-量子力学基本原理量子力学基本原理旧量子旧量子论在在经典理典理论中引入量子假中引入量子假设,解决各局部解决各局部领域的域的问题量子力学：量子力学：从基本属性上解决微从基本属性上解决微观粒子运粒子运动规律律问题要点：要点：物物质波波函数及其波波函数及其统计解解释不确定关系不确定关系德布德布罗意公式意公式薛定薛定谔方程及其方程及其应用用(一一)德布罗意物质波假设德布罗意物质波假设1.自然界是对称统一的，光与实物粒子应该有自然界是对称统一的，光与实物粒子应该有 共同的本性。共同的本性。实物实物粒子粒子物质波物质波光光物理光学物理光学 波动说波动说几何光学几何光学 粒子说粒子说

2、“波粒二象性波粒二象性”传统力学传统力学 粒子性粒子性波动力学波动力学 波动性波动性 一一 物质波假设及其实验验证物质波假设及其实验验证2.描述描述德布德布罗意公式意公式简洁地把地把对粒子描述手段粒子描述手段 和和对波的描述手段波的描述手段联系到一起系到一起1)与光子比与光子比较光子：光子：设光子与电子的德布罗意波长均为设光子与电子的德布罗意波长均为，试比较其能量和动量大小是否相同试比较其能量和动量大小是否相同练习练习2)物物质波数量波数量级概念概念子子弹：地球：地球：宏宏观物物质均太小，均太小，难以以觉察其波察其波动特性特性电子：电子：两种特例：两种特例：（2）（1）例：例：可以用晶体可以用

3、晶体对电子的衍射来子的衍射来显示其波示其波动性性检验得布得布罗意公式的正确性意公式的正确性用德布用德布罗意理意理论0I1926年年 了解德布罗意物质波假设了解德布罗意物质波假设1927年年 有意识寻求电子波实验依据有意识寻求电子波实验依据与德布与德布罗意物意物质波假波假设相符相符用用x光衍射理光衍射理论 （参（参见布喇格公式）布喇格公式）2 2、发现电子发现电子 1897 1897年年 汤姆孙汤姆孙 J J ThomsonJ J Thomson （1856-19401856-1940）实验上认定实验上认定:阴极射线是负电荷粒子阴极射线是负电荷粒子,荷质比是氢原子离子的荷质比是氢原子离子的100

4、01000多倍多倍若电荷都为若电荷都为1 1个单位个单位,则该粒子质量则该粒子质量为氢原子的为氢原子的1/1800,1/1800,比比氢原子小很多氢原子小很多.命名为电子（现在精确值命名为电子（现在精确值1/18401/1840）18871887 考夫曼，考夫曼，18901890 舒斯特都曾得舒斯特都曾得到过类似实验结果到过类似实验结果,但由于不相信但由于不相信阴极射线会是由粒子组成的阴极射线会是由粒子组成的,特别比特别比原子还小很多原子还小很多,不可思议不可思议,没有勇气没有勇气发表得到的结果。发表得到的结果。.汤姆姆孙实验结果结果用用电子束直接穿子束直接穿过厚厚10-8m的的单/多晶膜，得

5、到多晶膜，得到电子子衍射照片衍射照片用用电子波衍射子波衍射测出的晶格常数与用出的晶格常数与用x光衍射光衍射测定的相同定的相同戴戴维孙和和汤姆姆孙共同共同获得得1937年年诺贝尔物理物理奖3 3、黑体辐射实黑体辐射实验曲线验曲线维恩辐射公式维恩辐射公式 系统偏离系统偏离瑞利瑞利-金斯公式金斯公式对波长极短的辐射对波长极短的辐射光谱紫外部分辐射光谱紫外部分辐射能量密度能量密度 完全违背实验事实完全违背实验事实经典物理不可避免经典物理不可避免 “紫外灾难紫外灾难”普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和瑞利普朗克利用内插法将适用于短波的维恩公式和瑞利-金斯公式金斯公式 衔接起来得到衔接起来得到 普朗

6、克公式，与实验结果符合很好。普朗克公式，与实验结果符合很好。普朗克从理论上寻找对公式的解释，发现只要假定辐射能不是普朗克从理论上寻找对公式的解释，发现只要假定辐射能不是连续变化，而只取某个单元能量的整数倍跳跃变化，就可做出合连续变化，而只取某个单元能量的整数倍跳跃变化，就可做出合理解释。理解释。“紫外灾难紫外灾难”4.其它实验其它实验*中性微观粒子，中性微观粒子，具有波粒二象性具有波粒二象性1936年年 中子束衍射中子束衍射1929年年 斯特恩氢分子衍射斯特恩氢分子衍射-20 -10 0 10 20 方位角强度0.11961年年 电子子单缝、双、双缝、多、多缝衍射衍射1986年年 证实固体中固

7、体中电子的波子的波动性性*微微观粒子的波粒二象性是得到粒子的波粒二象性是得到实验证实的科学的科学结论三三.对实物粒子波粒二象性的理解物粒子波粒二象性的理解1.波由粒子波由粒子组成，波成，波动性是粒子相互作用的次性是粒子相互作用的次级效效应实验否定否定一个个一个个电子通子通过单缝，长时间积累也出累也出现衍射效衍射效应.历史上有代表性的史上有代表性的观点点:2.粒子由波粒子由波组成，是不同成，是不同频率的波叠加而成的率的波叠加而成的“波波包包”实验 否定否定单个个电子不能形成衍射花子不能形成衍射花样介介质中中频率不同的波率不同的波 u 不同，波包不同，波包应发散，但未散，但未见电子子“发胖胖”不同

8、介不同介质界面波界面波应反射，折射，但反射，折射，但未未见电子子“碎片碎片”波或粒子波或粒子？在在经典框架内无法典框架内无法统一一“波和粒子波和粒子”?3.玻恩玻恩“概率波概率波”说（1954年年诺贝尔奖）条条纹明暗分布明暗分布屏上光子数分布屏上光子数分布强度分布曲度分布曲线光子堆光子堆积曲曲线光光光子流光子流光的衍射：光的衍射：通通过某某缝到达屏上某点到达屏上某点通通过哪个哪个缝落到哪一点落到哪一点不确定不确定!？设想想:光光强 I下降下降,光子一个个通光子一个个通过,光子是如何运光子是如何运动的的?光光强分布分布落点概率分布落点概率分布光光强大：大：光子到达概率大光子到达概率大光光强弱：弱

9、：光子到达概率小光子到达概率小暗暗纹：光子到达概率光子到达概率为零零起点，起点，终点，点，轨道道均不确定均不确定只能作概率性判断只能作概率性判断类比：比：与与实物粒子相物粒子相联系的物系的物质波波概率波概率波物物质波的波的强度决定度决定实物粒子出物粒子出现在空在空间各各处的概率的概率.强度大：度大：电子到达概率大子到达概率大强度小：度小：电子到达概率小子到达概率小 暗暗纹：电子到达概率子到达概率为零零4.微微观粒子不同于粒子不同于经典粒子，也不同于典粒子，也不同于经典波典波*微微观粒子的运粒子的运动具有不确定性，不遵从具有不确定性，不遵从经典力方程，只典力方程，只能作概率性描述，其能作概率性描

10、述，其定量表达定量表达海森伯不确定关系海森伯不确定关系1）.爱因斯坦第一个坚持能量量子论 1905年提出光量子解释光电效应 1907年解释了热容量量子性质总结：普朗克曾试图3次修改量子论，甚至放弃自己提出的能量量子概念，力图将其纳入经典物理范畴。普朗克指责爱因斯坦光量子论 “太极端了”2）.玻尔1913年利用量子轨道的概念成功地解释了原子线状光谱，提出现代原子模型。3 3）.德布洛依德布洛依 1924 1924年年 提出物质波概念提出物质波概念4 4）.海森堡海森堡 1925 1925年创立矩阵力学（年创立矩阵力学（量子力学量子力学 ）5 5）.薛定谔薛定谔 1926 1926年创立波动量子力学年创立波动量子力学 量子论终于取得了胜利量子论终于取得了胜利!