物質(zhì)的波利二相性.ppt

1、19世紀(jì)末20世紀(jì)初，出現(xiàn)了經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的物理現(xiàn)象或過程，主要包括：原子穩(wěn)定性及其線性譜。基于積累的認(rèn)識(shí)，我們周圍的存在不是粒子就是波，或者波就是粒子。到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理理論已經(jīng)建立：經(jīng)典電磁理論、經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理。但是，黑體輻射、光電效應(yīng)、物體比熱、康普頓散射，微觀粒子的經(jīng)典理論是錯(cuò)誤的，正確描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論是什么，量子力學(xué)，第二章，如何建立微觀粒子理論？研究現(xiàn)象需要回答的基本問題，為什么，什么，如何，描述量，物理量，運(yùn)動(dòng)方程，物理理論，物理理論的邏輯結(jié)構(gòu)，大學(xué)物理課程的各個(gè)分支：力學(xué)，熱力學(xué)，電磁學(xué)等?？梢哉J(rèn)為是通過回答上述三個(gè)基本問題而建立起來的，這三個(gè)基本問題

2、相互之間的研究對(duì)象、力學(xué)坐標(biāo)系、位置向量、位移、速度、加速度、動(dòng)量、角動(dòng)量、能量、牛頓運(yùn)動(dòng)方程、建立量子力學(xué)需要回答哪些基本問題？如何描述微觀粒子的狀態(tài)？微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征和性質(zhì)是什么，它們的狀態(tài)是如何變化的？描述動(dòng)力學(xué)特征、基本物理量、其他物理量，例如為什么、什么、如何以及如何建立關(guān)于微觀粒子的理論。實(shí)驗(yàn)、假設(shè)、邏輯推理、經(jīng)典物理學(xué)(尤其是經(jīng)典力學(xué))、量子力學(xué)的基本原理、解答關(guān)于微觀粒子的基本問題、推廣和觀察、第3章、微觀系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的表征、第5章、能量本征值問題(嚴(yán)格解)、第4章、微觀系統(tǒng)狀態(tài)變化的基本規(guī)律、第2章、物質(zhì)的波粒二象性及其描述、第7章、量子第6章自旋和原子、基本原理、基本方法

3、、基本原理、第2章量子力學(xué)、 2.1物理粒子的波粒二象性，第2章物質(zhì)的波粒二象性及其描述，2.2描述波粒二象性的波函數(shù)，2.3自由粒子，2.4統(tǒng)計(jì)解釋決定了波函數(shù)的分析性質(zhì)，微觀粒子運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征是什么？ 根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，微觀粒子(粒子)在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)有確定的軌道。例如，以某一初始速度進(jìn)入均勻電場(chǎng)的電子通常以拋物線運(yùn)動(dòng)。我們?nèi)绾沃肋@個(gè)關(guān)于微觀粒子運(yùn)動(dòng)本質(zhì)的結(jié)論？根據(jù)微小粒子的運(yùn)動(dòng)假設(shè)，牛頓力學(xué)和電磁學(xué)的計(jì)算，以及微觀粒子和宏觀物體相互作用的結(jié)果，人類從來沒有直接觀察過微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡！結(jié)論是否正確和全面？事實(shí)上，由于存在經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的涉及微觀粒子的過程和現(xiàn)象，這表明在理解經(jīng)典物理學(xué)中微

4、觀粒子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)方面存在問題。第二章：物質(zhì)的波粒二象性及其描述；2.1 .物理粒子的波粒二象性和物質(zhì)波的實(shí)驗(yàn)：1.光的波粒二象性。麥克斯韋1865年的電磁理論和赫茲1888年的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，從而揭示了光的電磁本質(zhì)。早在公元前，中國的翟墨和希臘的歐幾里德就提出了光的直線傳播！基于此，人們建立了幾何光學(xué)，并且很早，人們就提出了光粒子理論。然而，例如，黑體輻射是電磁波，而對(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律的理解導(dǎo)致普朗克提出了腔壁振蕩器能量量子化的假設(shè)(1900 . 12 . 14)；光的粒子性質(zhì)，密立根實(shí)驗(yàn)(1905-1915)和康普頓散射(1923)直接證實(shí)了光的粒子性質(zhì)。光電效應(yīng)的解釋導(dǎo)致愛因斯坦提

5、出輻射場(chǎng)的光量子假說(1905)，其本身是由光量子組成的。每個(gè)光量子的能量E與輻射頻率n之間的關(guān)系是m0=0，E=h n h=6.62607510 -34 J .s，光子以光速運(yùn)動(dòng)。(角動(dòng)量量綱的作用量)，光和物質(zhì)之間的相互作用，可見光或紫外光，x光，射線(1900)，(例如，物質(zhì)的照射，光電效應(yīng)(外部或內(nèi)部)，康普頓散射，正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生也直接證實(shí)了遵循能量、電荷和動(dòng)量守恒的光的粒子性質(zhì)。因此，趙忠堯(1930)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(1932)也證實(shí)了光的粒子性質(zhì)。如何理解光的粒度和波動(dòng)？1909年，愛因斯坦提出光速就是光速，而充分描述其波粒二象性的理論是量子場(chǎng)論中量子電動(dòng)力學(xué)的一部分。光的波粒二

6、象性是：1926年，劉易斯將其命名為“光子”。1923年，德布羅意進(jìn)一步闡述了光的波粒二象性，認(rèn)為在光的理論研究中，粒子和周期性的概念必須同時(shí)引入，光本身也必須同時(shí)考慮。谷歌搜索：劉易斯，在19世紀(jì)之前，是粒子還是波？波粒二象性受輕粒子理論支配。19世紀(jì)，光波理論得到了證實(shí)。20世紀(jì)初，光的顆粒性、波粒二象性和波粒二象性得到了證實(shí)。在理解了人類理解光的本質(zhì)的過程之后，你對(duì)微觀粒子的本質(zhì)有什么猜測(cè)？光，線性傳播，空間延伸，粒子，線性運(yùn)動(dòng)，可以在任何地方。人類對(duì)光的本質(zhì)的理解：它不僅僅是粒子，也不僅僅是波！但同時(shí)，2。德布羅意物質(zhì)波假說(Nature112(1923)540)，物理粒子(靜止質(zhì)量為

7、m00的粒子)也可能具有波動(dòng)性，也就是說，像光一樣，它們也具有波動(dòng)粒子的二重性。這兩個(gè)方面必須有相似的關(guān)系，并且普朗克常數(shù)必須出現(xiàn)在其中；與具有確定能量e和確定動(dòng)量p的物理粒子相關(guān)的物質(zhì)波的頻率和波長分別是，n=e/h，l=h/p，w=2pn=e/。德布羅意進(jìn)一步闡述了光的波粒二象性，對(duì)幾何光學(xué)和經(jīng)典力學(xué)做了詳細(xì)的類比，深入分析了這兩個(gè)物理學(xué)分支之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并提出了物質(zhì)波假說。K=2p/l=p/。第三，物質(zhì)波假說的實(shí)驗(yàn)證實(shí)：1 .1927年，美國的戴維孫和熱爾將電子束投射到鎳單晶上，并進(jìn)行了類似x光衍射的實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)！1.散射電子束的強(qiáng)度隨散射角的變化而變化，有些值有最大

8、值，這與x光衍射現(xiàn)象相同；2.根據(jù)對(duì)應(yīng)于散射電子束的最大強(qiáng)度的散射角，由布拉格公式計(jì)算的波長與由德布羅意關(guān)系計(jì)算的入射電子的波長相同。證實(shí)了德布羅意關(guān)系的正確性，并發(fā)現(xiàn)：(自然119，558 (1927)，物理雜志30，706(1927)，電子衍射實(shí)驗(yàn)通過多晶金膜，2。同年(1927年)，喬治湯普森在鋁上照射了陰極射線。羅伊。足球。倫敦A 117，600 (1928)，金屬薄膜的電子衍射實(shí)驗(yàn)圖形與粉末法的x光衍射圖形非常相似，與德布羅意關(guān)系預(yù)測(cè)的結(jié)果的數(shù)值誤差為5%。Markus Arndt等，C60分子束的光柵衍射，(Nature 401，680(1999)，含60個(gè)碳原子的C60分子，質(zhì)量

9、大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部自由度多，與環(huán)境耦合，準(zhǔn)經(jīng)典系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置圖(未按比例)。中性熱C60分子束從噴嘴為0.33毫米、0.33毫米、0.3毫米、0.25毫米的高溫爐中以約1000千米的速度射出，穿過兩個(gè)0.01毫米、5毫米的準(zhǔn)直狹縫，間隔1.04米，穿過0.1米后穿過狹縫間距為100納米、狹縫寬度為50納米的衍射光柵，然后穿過1.25米到達(dá)空間位置分辨率探測(cè)器。3。1999年，Markus Arndt等人，C60分子束的光柵衍射，(nature 401，680 (1999)，C60分子的干涉圖樣，位置(m)，每50秒計(jì)數(shù)，每秒計(jì)數(shù)，圖a，實(shí)驗(yàn)記錄(圓)和擬合結(jié)果圖b是干涉裝置中沒有光柵的C60分

10、子束的截面圖。4，卡皮扎-狄拉克效應(yīng)：電子的光駐波衍射，(1933年提出)，(NATURE 413，142(2001)，電子的光柵衍射裝置示意圖。從電子槍發(fā)射的380電子伏特的電子束穿過兩個(gè)寬度為10微米、彼此相距24厘米的準(zhǔn)直鉬狹縫，然后被第三個(gè)狹縫切割成高度等于約1厘米激光束腰寬的電子束，然后發(fā)射到激光駐波區(qū)。在離激光駐波區(qū)24厘米處有一個(gè)寬度為10微米的可移動(dòng)狹縫，它可以確定進(jìn)入電子探測(cè)器的電子來自哪里。電子束的測(cè)量寬度為25微米。為了獲得足夠高的強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)中使用的方向上傳播的兩個(gè)激光束是10納秒的釹：釔：鋁石榴石激光器。每列激光束的波長為532納米，腰部直徑為125微米。激光駐波存在

11、和不存在時(shí)的觀測(cè)結(jié)果。4.卡皮扎-狄拉克效應(yīng)：電子的光駐波衍射(1933年提出)，5。物質(zhì)波假說的其他實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在1929年，艾斯特在1936年，米切爾和鮑爾斯通過晶體衍射實(shí)驗(yàn)證明中子具有易變性。1994年觀察到范德瓦爾斯團(tuán)簇干涉現(xiàn)象。1961年，詹森成功地觀察到了電子的單縫和雙縫衍射圖樣；1969年，中性鉀原子單縫衍射實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)；1975年，中子干涉實(shí)驗(yàn)成功實(shí)現(xiàn)；1997年，用電磁駐波作為光柵觀察了原子的光柵衍射圖；(自然388，827(1997)，(自然54，425(1975)，(科學(xué)266，1345(1994)，(Am。J. Phys. 37，905(1969)，(Z.Phys. 61

12、，95(1930)，(C.R. Acad .Sci.203，73(1936)；Phys. Rev. 50，486 (1936)。1932年，E. ruska設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)電子顯微鏡。粒子揮發(fā)性的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用使我們不得不接受粒子具有揮發(fā)性的事實(shí)。也就是說，物理粒子具有波粒二象性。物理粒子既有顆粒又有波動(dòng)。光具有揮發(fā)性和粒子性。該字段具有波動(dòng)性和粒度。任何物質(zhì)都是揮發(fā)性和顆粒狀的。物理粒子和場(chǎng)之間沒有本質(zhì)的區(qū)別。物理粒子，場(chǎng)，量子場(chǎng)論，很難理解物理粒子的波粒二象性，1粒子的物質(zhì)波不是某種物質(zhì)波包，不是某種粒子的實(shí)際結(jié)構(gòu)，波包：是各種波長的平面波的某種疊加，(1)物質(zhì)波包會(huì)傳播。例如，非相對(duì)論自由

13、粒子的物質(zhì)波包將變成脂肪3360，波包：大物體3，P13密波：聲波，縱波3，P3，(2)粒子物質(zhì)波包的衍射波向空間的各個(gè)方向傳播，而衍射波包只有一部分向各個(gè)方向觀察，即只有“一部分粒子”，這與一次觀察一個(gè)粒子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相矛盾。粒子的物質(zhì)波不是由分布在空間的大量粒子形成的密度波。在粒子衍射實(shí)驗(yàn)中，極弱入射粒子流的衍射圖樣在足夠長的時(shí)間后仍然出現(xiàn)，這表明單個(gè)粒子存在波動(dòng)。物質(zhì)波，物質(zhì)波包，夸大了物質(zhì)的揮發(fā)性，粒子密度波，夸大了物質(zhì)的粒子性質(zhì)，2.2，波函數(shù)及其統(tǒng)計(jì)解釋，兩粒子性質(zhì)和揮發(fā)性的本質(zhì)，粒子性質(zhì)，粒子性質(zhì)，I，質(zhì)量和電荷等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，ii。精確的軌道，直觀的經(jīng)驗(yàn)，波動(dòng)性，波動(dòng)與波的相干疊

14、加有關(guān)，但不一定與真實(shí)物理量的空間分布的周期性變化有關(guān)。物理粒子既有粒子性質(zhì)又有波動(dòng)性質(zhì)，既不是經(jīng)典粒子，也不是經(jīng)典波動(dòng)。漲落和粒子是物理粒子的兩個(gè)不同方面?？梢哉f它既像粒子又像波。特殊性和易變性源于人類在宏觀世界的生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)和日常生活中形成的直觀體驗(yàn)，而對(duì)微觀對(duì)象的理解是通過其與宏觀對(duì)象的相互作用來實(shí)現(xiàn)的，從而形成了對(duì)實(shí)際對(duì)象是顆粒狀還是易變性的理解。因此，微觀物體的真實(shí)行為和運(yùn)動(dòng)規(guī)律很可能與我們現(xiàn)有的觀念相矛盾。因此，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，合理地分析、思考和理解微觀物體的波粒二象性，而不應(yīng)該發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的性質(zhì)、規(guī)律和現(xiàn)象與我們的經(jīng)典概念相矛盾，并拋棄它或混淆。由于物理粒子的波粒二象性已經(jīng)被

15、實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，我們不得不承認(rèn)：楊氏雙縫干涉是一個(gè)經(jīng)典的波動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)。早在1927年，玻爾和愛因斯坦就以電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)為例討論了量子力學(xué)的基本原理，這個(gè)例子已經(jīng)被無數(shù)教科書引用。然而，由于技術(shù)上的困難，這只是一個(gè)“意識(shí)形態(tài)實(shí)驗(yàn)”，直到20世紀(jì)50年代末。3.理解物質(zhì)的波強(qiáng)度(波粒二象性的本質(zhì))現(xiàn)在，我們將分析電子的類楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)來理解物質(zhì)的波強(qiáng)度。電子槍(由一根加熱的鎢絲和一個(gè)加速電極組成)用來發(fā)射電子到一個(gè)有雙縫的屏幕上，然后是一個(gè)接收電子的后擋板。首先，在它上面安裝一個(gè)可移動(dòng)的探測(cè)器，它可以是一個(gè)蓋革計(jì)數(shù)器，或者更好的是，一個(gè)與揚(yáng)聲器相連的電子倍增器。每當(dāng)電子到達(dá)時(shí)，探測(cè)器就會(huì)發(fā)出咔嗒聲

16、。如圖a所示.在實(shí)驗(yàn)中，我們可以發(fā)現(xiàn)咔噠聲的節(jié)奏是不規(guī)則的，但是長時(shí)間內(nèi)每個(gè)地方的平均咔噠聲數(shù)是近似恒定的，這與電子槍發(fā)射的電子電流強(qiáng)度成正比。為了避免過于密集的咔噠聲和難以計(jì)數(shù)，我們可以通過降低電子槍的加熱電流來降低電子的電流強(qiáng)度。我們甚至可以想象，電子電流是如此之弱，以致于在電流電子從電子槍開始并通過雙縫屏到達(dá)后擋板之前，后一個(gè)電子不會(huì)開始。一次只有一個(gè)電子通過儀器。此時(shí)，如果我們?cè)诤髶醢迳习惭b了探測(cè)器，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一次只有一個(gè)探測(cè)器發(fā)出咔嗒聲。所有的咔噠聲都同樣強(qiáng)烈，而且兩個(gè)或更多的探測(cè)器不會(huì)同時(shí)發(fā)出微弱的咔噠聲。也就是說，就像子彈實(shí)驗(yàn)一樣，電子是以“粒子”的形式被探測(cè)到的。現(xiàn)在蓋住接縫2，只允許電子通過接縫1。記錄后擋板上各處檢測(cè)到的電子數(shù)量。經(jīng)過長時(shí)間的數(shù)據(jù)積累，可以得到如圖B所示的電子沿x