寧夏回族自治區(qū)銀川市六盤山高級(jí)中學(xué)高中物理人教版選修3-5課件第十七章波粒二象性第345節(jié)粒子的波動(dòng)性概率波不確定性關(guān)系（33張）（共33張）

物理選修3-5第十七章

波粒二象性第3節(jié)粒子的波動(dòng)性

有記者曾問英國物理學(xué)家、諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)卟祭窠淌冢汗馐遣ㄟ€是粒子？布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一個(gè)波，星期二、四、六它是一個(gè)粒子，星期天物理學(xué)家休息?！蹦敲垂獾谋拘缘降资鞘裁矗啃抡n引入粒子性波動(dòng)性（具有能量）（具有頻率）（具有動(dòng)量）hh----架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁一、光的波粒二象性（具有波長）新課講授二、粒子的波粒二象性德布羅意，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。1924年，26歲的德布羅意考慮到普朗克量子和愛因斯坦光子理論的成功，在博士論文《關(guān)于量子理論的研究》中大膽地把光的波粒二象性推廣實(shí)物粒子，如電子，質(zhì)子等。他提出實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波。新課講授新課講授二、粒子的波粒二象性1、物質(zhì)波：一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子，以速率V運(yùn)動(dòng)時(shí)，即具有以能量ε和動(dòng)量p所描述的粒子性，同時(shí)也具有以頻率ν和波長λ所描述的波動(dòng)性。2、物質(zhì)波的波長、頻率一切實(shí)物粒子都有波動(dòng)性實(shí)物粒子的波粒二象性的意思是：微觀粒子既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波動(dòng)的特性。大量光子易表現(xiàn)波動(dòng)性，少量光子易表現(xiàn)粒子性。

這種和實(shí)物粒子相聯(lián)系的波稱為德布羅意波(物質(zhì)波或概率波)，其波長

稱為德布羅意波長。由光的波粒二象性的思想推廣到微觀粒子和任何運(yùn)動(dòng)著的物體上去，得出物質(zhì)波（德布羅意波）的概念：任何一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體都有一種波與它對(duì)應(yīng)，該波的波長λ=h/p。新課講授二、粒子的波粒二象性三、物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)證據(jù)1、1912年，德國物理學(xué)家勞厄，利用X射線照在晶體上可以產(chǎn)生衍射X射線就是一中波長為十分之幾納米的電磁波；證實(shí)電子打在晶體上也能觀察電子衍射。2、實(shí)物粒子的波動(dòng)性---電子衍射實(shí)驗(yàn)

1927年，戴維孫與湯姆孫利用晶體作電子束衍射實(shí)驗(yàn)，得到教材P38頁圖17.3-1的衍射圖樣，證實(shí)了電子波動(dòng)性。

新課講授

物質(zhì)波的一個(gè)最重要的應(yīng)用就是電子顯微鏡的發(fā)明．第一臺(tái)電子顯微鏡是由德國魯斯卡研制成功，榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)．從波動(dòng)光學(xué)可知，由于顯微鏡的分辨本領(lǐng)與波長成反比，光學(xué)顯微鏡的最大分辨距離大于0.2μm，最大放大倍數(shù)也只有1000倍左右．自從發(fā)現(xiàn)電子有波動(dòng)性后，電子束德布羅意波長比光波波長短得多，而且極方便改變電子波的波長，這樣就能制造出用電子波代替光波的電子顯微鏡．三、物質(zhì)波的應(yīng)用新課講授電子顯微鏡下的薰衣草葉子9電子顯微鏡下的納米纖維10電子顯微鏡下的灰塵電子顯微鏡下的紅細(xì)胞12電子顯微鏡下的二分裂13小結(jié)：一、德布羅意的物質(zhì)波二、德布羅意波的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.量子圍欄(QuantumCorral)中的駐波1.電子衍射實(shí)驗(yàn)12.電子衍射實(shí)驗(yàn)2戴維遜－革末實(shí)驗(yàn)G.P.湯姆遜（電子衍射實(shí)驗(yàn)。三、物質(zhì)波的應(yīng)用電子顯微鏡物理選修3-5第十七章

波粒二象性第4節(jié)概率波一、經(jīng)典的粒子和經(jīng)典的波1、經(jīng)典的粒子的基本特征⑴粒子有一定的空間大小、一定的質(zhì)量和電荷量；⑵粒子的運(yùn)動(dòng)遵從牛頓第二定律⑶粒子有確定的位置、速度以及時(shí)空中確定的軌道。2、經(jīng)典的波的基本特征⑴在空間具有彌散性⑵具有一定的頻率、波長具有時(shí)空的周期性在經(jīng)典物理學(xué)中，波和粒子是兩個(gè)不同的研究對(duì)象，具有非常不同的表現(xiàn)，互不相容，遵從不同的規(guī)律新課講授二、概率波新課講授1、光波是概率波

1926年德國物理學(xué)家波恩提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：明紋處達(dá)到的光子數(shù)多，明紋表示光子達(dá)到的概率大。暗紋反之。二象性統(tǒng)計(jì)解釋入射光極弱，光子數(shù)目極少，光子將會(huì)在屏上出現(xiàn)的確切位置無法預(yù)測。雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光的波粒二象性的統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)解釋l攝影底板或顯微觀察延長曝光時(shí)間，可發(fā)現(xiàn)各明紋區(qū)域，光子出現(xiàn)的概率最大；各暗紋區(qū)域，光子出現(xiàn)的概率最小。繼續(xù)延長曝光時(shí)間，可得到明暗連續(xù)變化的雙縫干涉清晰圖像，并與強(qiáng)光入射（大量光子同時(shí)入射）一次曝光的情況等效。光子的行為不能用經(jīng)典粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參量描述和準(zhǔn)確預(yù)測；光波在空間某處的強(qiáng)度反映了光子在該處附近出現(xiàn)的概率。單縫衍射像圓孔衍射像

在光的衍射實(shí)驗(yàn)中，攝像記錄弱光入射的幾個(gè)不同曝光階段的衍射圖樣，并進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，在衍射圖樣中較亮的地方，光子出現(xiàn)的概率較大。二、概率波新課講授2、德布羅意波（物質(zhì)波）也是概率波

電子和其他微觀粒子，同樣具有波粒二象性。物質(zhì)波也是概率波。電子的雙縫干涉圖樣中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：明紋處是電子落點(diǎn)概率大的地方；暗紋處是電子落點(diǎn)概率小的地方；某處電子出現(xiàn)概率的大小受波動(dòng)規(guī)律的支配。7個(gè)電子100個(gè)電子300020000電子單個(gè)依次入射雙縫的衍射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象70000體現(xiàn)了粒子性體現(xiàn)了波動(dòng)性粒子出現(xiàn)的概率低屏上記錄了有限個(gè)較少的電子時(shí)，顯示出電子的粒子性波粒二象性隨著電子數(shù)的增多，電子的波動(dòng)性就漸漸顯現(xiàn)出來了。1.光波是一種概率波：光的波動(dòng)性不是光子之間的相互作用引起的，而是光子自身固定的性質(zhì)。光子在空間出現(xiàn)的概率可通過波動(dòng)規(guī)律確定。所以，從光子的概念上看，光波是一種概率波。2.物質(zhì)波也是概率波：對(duì)于電子和其他微觀粒子，單個(gè)粒子的位置是不確定的，但在某點(diǎn)附近出現(xiàn)的概率大小可由波動(dòng)的規(guī)律確定。對(duì)于大量粒子，這種概率分布導(dǎo)致確定的宏觀結(jié)果，所以物質(zhì)波也是概率波。概率波1.單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)的偶然性：我們可以知道粒子落在某點(diǎn)的概率，但不能確定在什么位置，即粒子到達(dá)什么位置是隨機(jī)的，是預(yù)先不確定的。對(duì)概率波的理解2.大量粒子運(yùn)動(dòng)的必然性：由波動(dòng)規(guī)律，我們可以準(zhǔn)確地知道大量粒子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此我們可以對(duì)宏觀現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)言。3.概率波體現(xiàn)了波粒二象性的和諧統(tǒng)一：概率波的主體是光子和實(shí)物粒子，體現(xiàn)了粒子性的一面；同時(shí)粒子在某一位置出現(xiàn)的概率受波動(dòng)規(guī)律的支配，體現(xiàn)了波動(dòng)性的一面。所以說，概率波將波動(dòng)性和粒子性統(tǒng)一在一起。物理選修3-5第十七章

波粒二象性第5節(jié)不確定性關(guān)系根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，如果我們已知一物體的初始位置和初始速度，就可以準(zhǔn)確地確定物體在任意時(shí)刻的位置和速度。但是在微觀世界中，由于微觀粒子具有波動(dòng)性，其坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)確定，因此我們不能用經(jīng)典的方法來描述它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。新課導(dǎo)入圓孔衍射光的單縫衍射激光束若光子是經(jīng)典粒子，在屏上的落點(diǎn)應(yīng)在縫的投影區(qū)之內(nèi)。

由于衍射，落點(diǎn)會(huì)超出單縫投影的范圍，其它粒子也一樣，說明微觀粒子的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)不遵守牛頓運(yùn)動(dòng)定律，不能同時(shí)用粒子的位置和動(dòng)量來描述粒子的運(yùn)動(dòng)了。像屏1.在擋板左側(cè)位置完全不確定2.在縫處位置不確定范圍是縫寬a=Δx

若減小縫寬：位置的不確定范圍減小，但中央亮紋變寬，所以x

方向動(dòng)量的不確定量(Δpx

)變大3.在縫后x方向有動(dòng)量，也是不確定的（0≤

px

≤sinφ)電子的單縫衍射實(shí)驗(yàn)

Δpx

不確定關(guān)系海森伯因創(chuàng)立用矩陣數(shù)學(xué)描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的矩陣力學(xué)，獲1932年諾貝爾物理獎(jiǎng)rxprx（注：不確定關(guān)系又稱測不準(zhǔn)關(guān)系，在上述表達(dá)式中的和都具有統(tǒng)計(jì)含義，分別代表有關(guān)位置和動(dòng)量的方均根偏差。）位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系rxprx4πh稱為海森伯位置和動(dòng)量的不確定關(guān)系，它說明，同時(shí)精確測定微觀粒子的位置和動(dòng)量是不可能的。微觀粒子不能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量，位置的不確定量rx該方向動(dòng)量的不確定量prx同一時(shí)刻的關(guān)系1927年，德國物理學(xué)家海森伯提出WernerHeisenberg(1901~1976)海森伯不確定性關(guān)系不確定性關(guān)系

海森伯不確定關(guān)系告訴我們：微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)確定。粒子位置若是測得極為準(zhǔn)確，我們將無法知道它將要朝什么方向運(yùn)動(dòng)；若是動(dòng)量測得極為準(zhǔn)確，我們就不可能確切地測準(zhǔn)此時(shí)此刻粒子究竟處于什么位置。不確定關(guān)系是物質(zhì)的波粒二象性引起的。對(duì)于微觀粒子，我們不能用經(jīng)典物理學(xué)來描述。海森伯不確定關(guān)系對(duì)于宏觀物體沒有施加有效的限制。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)值能量量子化對(duì)不確定性關(guān)系無實(shí)際意義遵循不確定性關(guān)系微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比不確定性關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)1.物理意義

微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。粒子位置的不確定量

x越小，動(dòng)量的不確定量px

就越大，反之亦然。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。應(yīng)用：掃描隧道顯微鏡(STM)原理：利用電子的隧道效應(yīng)。

金屬樣品外表面有一層電子云，電子云的密度隨著與表面距離的增大呈指數(shù)形式衰減，將原子線度的極細(xì)的金屬探針靠近樣品，并在它們之間加上微小的電壓，其