《不确定性原理》PPT课件.ppt

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1、太原理工大学物理系太原理工大学物理系经典物理：由经典物理：由t=0时时 粒子坐标、动量粒子坐标、动量 任意任意t时时 粒子坐标粒子坐标、动量动量 粒子的轨道粒子的轨道 (经典的决经典的决定论定论)17-3 17-3 不确定性原理不确定性原理不确定性原理不确定性原理 但波动性使微观粒子的坐标和动量但波动性使微观粒子的坐标和动量(或时间和能或时间和能量量)不能同时取确定值。不能同时取确定值。下面仍以单缝衍射来对此下面仍以单缝衍射来对此作进一步分析。作进一步分析。1927年年海森伯海森伯提出了不确定关系。反映微观粒提出了不确定关系。反映微观粒子的基本规律，是物理学中的重要关系。子的基本规律，是物理学

2、中的重要关系。太原理工大学物理系太原理工大学物理系一、一、电子单缝衍射实验电子单缝衍射实验电子束电子束p设电子的物质波长设电子的物质波长与缝宽与缝宽d半角宽度半角宽度 之间关系是：之间关系是：P224P224太原理工大学物理系太原理工大学物理系缝后：缝后：电子出现在屏上不同地方，说明动量电子出现在屏上不同地方，说明动量px 0，py 0 电子坐标电子坐标x正好正好位于狭缝位于狭缝才能通过才能通过电子束电子束p看衍射过程中，电子看衍射过程中，电子动量和坐标的变化情动量和坐标的变化情况况：如图：如图：x轴沿缝方向轴沿缝方向 y轴沿电子入射方向轴沿电子入射方向缝前：缝前：电子沿电子沿y方向运动，方向

3、运动，动量动量px=0，py=p 坐标坐标x可可任意任意值值P224P224太原理工大学物理系太原理工大学物理系 要要准确地准确地确定粒子在穿过狭缝时的坐标确定粒子在穿过狭缝时的坐标x，就就要要尽可能地将缝宽尽可能地将缝宽d 缩小缩小.粒子穿过狭缝时具有波动性，会发生衍射现象，粒子穿过狭缝时具有波动性，会发生衍射现象，缝宽越小缝宽越小,粒子衍射性越明显粒子衍射性越明显,px 越越不容易确定不容易确定！狭缝处：狭缝处：电子的位置和动量能同时确定吗？电子的位置和动量能同时确定吗？对对狭缝处的狭缝处的每一个每一个电子电子，不能确定，不能确定x坐标和动量坐标和动量px的准确值，而只知道的准确值，而只知

4、道x和和px的取值范围的取值范围，所以说，所以说，电子的电子的x坐标有一不确定度坐标有一不确定度x，电子动量的，电子动量的x分量分量px也有一不确定度也有一不确定度px度度.太原理工大学物理系太原理工大学物理系显然：显然：x=d,px=pAxA对于落在衍射第一极小处的电子对于落在衍射第一极小处的电子（暂先只考虑落（暂先只考虑落在中央明纹区内电子）。在中央明纹区内电子）。由图知：由图知：衍射第一级暗纹满足衍射第一级暗纹满足太原理工大学物理系太原理工大学物理系考虑到在两个一级极小值考虑到在两个一级极小值A之外还有电子出现之外还有电子出现所以有：所以有：上式表明：若减小坐标的不确定度上式表明：若减小

5、坐标的不确定度 x ，则相应的，则相应的动量不确定度动量不确定度 px必然增加，反之亦然。必然增加，反之亦然。上面仅考虑了中央明纹区域，更严格的讨论由海上面仅考虑了中央明纹区域，更严格的讨论由海森伯提出森伯提出二、海森伯不确定性原理（不确定关系、测不准关系）二、海森伯不确定性原理（不确定关系、测不准关系）1.1.位置和动量的不确定关系位置和动量的不确定关系 1927年，海森伯提出了微观粒子不能同时具有确定年，海森伯提出了微观粒子不能同时具有确定的位置和动量，同一时刻，位置的不确定量与该方向的位置和动量，同一时刻，位置的不确定量与该方向（如（如x方向）动量不确定量的乘积大于或等于方向）动量不确定

6、量的乘积大于或等于 ，即，即P224P224式式称为称为位置和动量的不确定关系位置和动量的不确定关系P224,倒第倒第4行起行起太原理工大学物理系太原理工大学物理系说明：说明：1）不确定关系表明不确定关系表明:不可能同时精确不可能同时精确地测定微观地测定微观粒子的粒子的位置和动量位置和动量（某一时刻，（某一时刻，若若 x 越小越小 ，则则 Px 越大，反之亦然）。越大，反之亦然）。2 2）测不准关系是微观粒子的）测不准关系是微观粒子的固有属性，固有属性，与仪器精与仪器精度和实验技术无关。度和实验技术无关。式式P224,P224,倒第倒第1 1行起行起 3)3)对三维情况：对三维情况：太原理工大

7、学物理系太原理工大学物理系5 5）不确定关系不仅）不确定关系不仅适用于适用于电子电子,光子光子,中子中子,原子原子,分分子等微观粒子子等微观粒子,而且适用于宏观物体而且适用于宏观物体.4 4）对微观量的大小估算时）对微观量的大小估算时,不确定关系不确定关系练练ZP39,8,ZP39,8,或见后附或见后附9 9考点：考点：不确定关系不仅不确定关系不仅适用于适用于电子和光子电子和光子,也适用于也适用于其它粒子。其它粒子。太原理工大学物理系太原理工大学物理系讲考点讲考点4 4即即ZP44ZP44，7 7参考解参考解:解解1 1解解2 2解解3 3解解4 4太原理工大学物理系太原理工大学物理系讲考点讲

8、考点7 7讲讲太原理工大学物理系太原理工大学物理系讲考点讲考点13 13 即即ZP50，3 解解作业作业ZP50ZP50，2,3 2,3 ZP51，3 太原理工大学物理系太原理工大学物理系练练太原理工大学物理系太原理工大学物理系2.2.能量和时间的不确定关系（测不准关系）能量和时间的不确定关系（测不准关系）如果微观粒子处于某一状态的时间为如果微观粒子处于某一状态的时间为 t，其，其能量的不确定量为能量的不确定量为 E，则两者的关系表示为，则两者的关系表示为称为称为能量和时间的不确定关系能量和时间的不确定关系式式指出：指出：利用能量和时间的不确定关系可以解释原利用能量和时间的不确定关系可以解释原

9、子光谱的谱线宽度。子光谱的谱线宽度。详见后附详见后附太原理工大学物理系太原理工大学物理系 当粒子具有确定的能量时，粒子在该状态当粒子具有确定的能量时，粒子在该状态停留的时间为无限长。停留的时间为无限长。原子处于激发态的平均寿命一般为原子处于激发态的平均寿命一般为 激发态能量有一定的范围。激发态能量有一定的范围。原子的能级宽度与能级的寿命成反比原子的能级宽度与能级的寿命成反比.E能级宽度，能级宽度，能级寿命能级寿命附：附：太原理工大学物理系太原理工大学物理系 海森伯海森伯(1901-1976),),德国德国物理学家物理学家,为了解释微观粒为了解释微观粒子通过云室具有确定的径迹子通过云室具有确定的径迹的实验事实，而又不与玻恩的实验事实，而又不与玻恩的几率波解释相矛盾，提出的几率波解释相矛盾，提出微观粒子的微观粒子的“不确定性原理不确定性原理”.”.由于对建立量子力学有由于对建立量子力学有重要贡献重要贡献，在在1932年获诺贝年获诺贝尔物理学奖尔物理学奖海森伯海森伯