德布羅意波與測不準(zhǔn)關(guān)系.ppt

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德布羅意的獲獎(jiǎng)?wù)撐?德布羅意的思路 必有實(shí)物波存在 光子伴有光波 脈動好象光子 頻率即為脈動 能量含有頻率 質(zhì)量就是能量 實(shí)物粒子有質(zhì)量 16 5粒子的波動性 德布羅意 1892 1960 法國人 一戰(zhàn)服役六年 原來從事歷史研究 受其兄影響 改學(xué)物理 1924年獲博士學(xué)位 1929年獲諾貝爾物理獎(jiǎng) 1932年任巴黎大學(xué)物理教授 1933年被選為法國科學(xué)院院士 德布羅意 一 德布羅意波 德布羅意提出了物質(zhì)波的假設(shè) 任何運(yùn)動的粒子皆伴隨著一個(gè)波 粒子的運(yùn)動和波的傳播不能相互分離 運(yùn)動的實(shí)物粒子的能量E 動量p與它相關(guān)聯(lián)的波的頻率 和波長 之間滿足如下關(guān)系 德布羅意關(guān)系式 自由粒子速度較小時(shí) 質(zhì)量不變 電子的德布羅意波長為 例如 電子經(jīng)電勢差V加速后 若 則 二 物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 1927年戴維孫和革末用加速后的電子投射到晶體上進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn) 衍射最大值 電子的波長 電流出現(xiàn)峰值 戴維孫 革末實(shí)驗(yàn)中 C J 戴維孫通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體對電子的衍射作用 1937諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 若U 150V 電子對應(yīng)的德布羅意波長 例 子彈m 10 2kg 速度V 5 0 102m s 對應(yīng)的德布羅意波長 太小測不到 電子在電壓U的加速下 電子不僅在反射時(shí)有衍射現(xiàn)象 湯姆遜實(shí)驗(yàn)證明了電子在穿過金屬片后也象X射線一樣產(chǎn)生衍射現(xiàn)象 戴維遜和湯姆遜因驗(yàn)證電子的波動性分享1937年的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)金 電子的衍射實(shí)驗(yàn)證明了德布羅意關(guān)系的正確性 G P 湯姆遜像 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辨率 我國已制成80萬倍的電子顯微鏡 分辨率為1 44 能分辨大個(gè)分子 三 應(yīng)用 電子顯微鏡 光學(xué)顯微鏡示意圖 電子顯微鏡示意圖 透射電子顯微鏡 TEM TransmissionElectronMicroscope 安工大電鏡 1987年進(jìn)口25萬 現(xiàn)價(jià)10萬 儀器簡介 日立牌H 800透射電子顯微鏡具有較高的分辨本領(lǐng) 能提供材料及其細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)信息 技術(shù)性能 最高加速電壓 200kv分辨率 4 5A應(yīng)用范圍 主要應(yīng)用于金屬等材料的微觀組織與結(jié)構(gòu)分析 掃描隧道顯微鏡的工作示意圖 48個(gè)Fe原子形成 量子圍欄 圍欄中的電子形成駐波 四 德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋 1926 玻恩 在某處德布羅意波的強(qiáng)度是與粒子在該處鄰近出現(xiàn)的幾率成正比 德布羅意波是幾率波 波性 衍射圖樣亮處 光強(qiáng)大 粒子性 衍射圖樣亮處 光強(qiáng)大 光子數(shù)多 統(tǒng)計(jì)解釋 亮處 光子到達(dá)的概率大 衍射圖樣亮處 電子到達(dá)該處的概率大 波的強(qiáng)度也大 統(tǒng)計(jì)解釋 16 5測不準(zhǔn)關(guān)系 UncertaintyPrinciple 一 測不準(zhǔn)關(guān)系 在牛頓力學(xué)中 運(yùn)動物體在任何時(shí)刻都有完全確定的位置 動量 能量 角動量等 但對微觀粒子 由于粒子的波動性 微觀粒子在某個(gè)位置上僅以一定的概率出現(xiàn) 這就是說 粒子的位置是不能確定的 粒子的位置雖不能確定 但基本上出現(xiàn)在某區(qū)域 例如出現(xiàn)在內(nèi) 一維情形 或內(nèi) 三維情形 稱為粒子坐標(biāo)的不確定量 粒子的動量也是不能確定的 但動量基本上也有一個(gè)范圍 或 稱為粒子動量的不確定量 同樣的道理 粒子的其他力學(xué)量 能量 角動量 也是不確定的 經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為 這六個(gè)不確定量 原則上可以減少到零 因而原則上可以把粒子的位置和動量都測準(zhǔn) 1927年 德國物理學(xué)家海森堡 W Heisenberg 發(fā)現(xiàn) 當(dāng)我們企圖用這些在宏觀世界中總結(jié)出來的物理量 牛頓力學(xué)中 來描述微觀世界中的運(yùn)動時(shí) 存在著一定的困難 它們被下列關(guān)系式所限制 海森伯測不準(zhǔn)關(guān)系式 W 海森堡創(chuàng)立量子力學(xué) 并導(dǎo)致氫的同素異形的發(fā)現(xiàn) 1932諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) X方向電子的位置不準(zhǔn)確量為 長時(shí)間積累后出現(xiàn)衍射圖樣 二 用電子單縫衍射說明不確定關(guān)系 X方向的分動量px的測不準(zhǔn)量為 單縫衍射 考慮到在兩個(gè)一級極小值之外還有電子出現(xiàn) 所以 經(jīng)嚴(yán)格證明此式應(yīng)為 這就是著名的海森伯測不準(zhǔn)關(guān)系式 測不準(zhǔn)關(guān)系式的理解 1 用經(jīng)典物理學(xué)量 動量 坐標(biāo)來描寫微觀粒子行為時(shí)將會受到一定的限制 3 對于微觀粒子的能量E及它在能態(tài)上停留的平均時(shí)間 t之間也有下面的測不準(zhǔn)關(guān)系 2 可以用來判別對于實(shí)物粒子其行為究竟應(yīng)該用經(jīng)典力學(xué)來描寫還是用量子力學(xué)來描寫 W 海森堡創(chuàng)立量子力學(xué) 并導(dǎo)致氫的同素異形體的發(fā)現(xiàn) 1932諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 例 電視顯象管中電子的加速電壓為9kV 電子槍槍口直徑為0 1mm 求 出槍口之后電子的橫向速度 并加以討論 解 電子經(jīng)9kV加速后的速度為 討論 由于 電子的波動性極小 圖象清晰 例 小球質(zhì)量m 10 3千克 速度V 10 1米 秒 x 10 6米 則速率的不確定范圍為多大 不確定關(guān)系對宏觀物體來說 實(shí)際上是不起作用的 解 例如 一電子具有200m s 1的速率 動量的不確定范圍為動量的0 01 則該電子的位置不確定范圍有多大 解 電子的動量 動量的不確定范圍 電子的不確定范圍 電子位置的不確定范圍甚至比原子的大小還要大幾億倍 所以坐標(biāo)及動量可以同時(shí)確定 1 宏觀粒子的動量及坐標(biāo)能否同時(shí)確定 電子動量是不確定的 應(yīng)用量子力學(xué)處理 2 微觀粒子的動量及坐標(biāo)是否永遠(yuǎn)不能同時(shí)確定