《原子物理学》(褚圣麟)第三章 量子力学初步.ppt

第三章 量子力学初步 内容： 1、微观粒子的波粒二象性 2 、测不准原理 3、波函数及其物理意义 4、薛定谔波动方程 5、 量子力学问题的几个简例 6、量子力学对氢原子的描述 3．实验解释 晶体结构： 第3章 量子力学初步 1900年，普朗克，黑体辐射，辐射能量量子化 1905年，爱因斯坦，光电效应，光量子 1913年，玻尔，氢原子光谱，量子态 ……旧量子论 1924年，德布罗意，物质波假说 1925-1928年，海森堡、薛定谔、玻恩、狄拉克等 ……建立量子力学 一、经典物理中的粒子和波 粒子：空间局域性，用 和 描述其运动。 波：空间弥散性，用 和 描述其运动。 二、光的波粒二象性 1672年，牛顿，光的微粒说 1678年，惠更斯，光的波动说 19世纪末，光是一种电磁波 20世纪初，光电效应和康普顿效应散射直接和间接地证明光不仅具有波的叠加性，可以产生干涉、衍射的波动性，而且还具有质量、动量、能量和角动量的粒子性。光同时具有的这两种属性统称为光的波粒二象性，由爱因斯坦关系式表示为： --------光的波粒二象性 3.1物质的二象性 光的波粒二象性是否具有更深刻的普遍意义？ 1924年，年轻的法国物理学家德布罗意反向思考了这一问题在向巴黎大学理学院提交的题为《量子理论的比较》的博士论文中提出了所有粒子都具有波动性的假设。他指出：“在整个世纪以来，人们在辐射理论上，比起关注波动的研究方法来，是过于忽视了粒子的研究方法；在实物理论上，是否发生了相反的错误呢？是否我们关于粒子的图象想的太多，而过分忽视了波的图象？”于是他将光的波粒二象性大胆地赋予了电子这样的实物粒子上，即承认实物粒子也具有波粒二象性。 三、德布罗意关系式 微观粒子和光子一样，在一定的条件下显示出波 动性。具有一定能量E和一定动量p的自由粒子，相当于具有一定频率?和一定波长?的平面波，二者之间的关系为： ----德布罗意关系式。 与实物粒子相应的波称为德布罗意波或物质波，?称为德布罗意波长。 德布罗意关系式还可以写成 式中， ：角频率； ：传播方向上的单位矢量 适用条件： 1 电子， 2 非相对论 U不能太大 。 ：波矢量 粒子的德布罗意波长： 1．当 时， 2．当 时， 经过电场加速的电子： 四、德布罗意假设的实验验证 德布罗意曾指出由于实物粒子的波粒二象性，当加速后的电子穿过晶体时，将会发生电子波的衍射现象。 1925年戴维孙－革末在一次偶然的真空破坏事故，使镍棒样品被氧化，为了还原，他们对镍加热，结果形成了镍的单晶结构，即将镍单晶化，镍的晶格成了电子衍射的光栅。从而当电子穿过镍单晶时，观察到电子的衍射图象，测量了电子波的波长，证实了德布罗意假设。 1927 年在物质波概念的指导下，Davisson 和Gemmer重新进行了较为精确的实验，实验装置如下图所示 1．实验装置 2．实验结果 1 当V不变时，I与?的关系如图 不同的?，I不同；在有的?上将出现极值。 2 当?不变时，I与V的关系如图 当V改变时，I亦变；而且随了V周期性的变化 当 时加强----布拉格公式。 波程差： 实验证明了电子确实具有波动性，也证明了德布罗意关系式的正确性。 并进一步证明：一切实物粒子 电子、中子、质子等都具有波动性。 可见，当?、?满足此式时，测得电流的极大值。 对于通过电压V加速的电子： 当V不变时，改变?，可使某一?满足上式，出现极大值 当?不变时，改变V，可使某一V满足上式，出现极大值。 1928年，菊池正士把电子束射在云母薄片上，在云母后面一段距离处用照相底片接受电子，获得了衍射图样。 同年，G. P Thomson用电子束穿透晶体薄片，也得到环状的衍射图像，此时晶体起到了透射光栅作用。 3.2 测不准原理 在经典力学的概念中，一个粒子的位置和动量可以同时具有确定值。量子理论建立后，由微观粒子的波粒二象性揭示出微观粒子的位置和动量具有不确定性，这可用电子单缝衍射实验说明，并验证不确定关系。 3.2 测不准原理 一、电子的单缝衍射 1961年，约恩逊成功的做出 电子以速度?沿着y轴射向A屏，其波长为 ，经过单缝发生衍射，缝宽为d，到达C屏。第一级暗纹的位置： x方向上，粒子坐标的不确定度为 又 粒子动量的不确定度为 单缝衍射时，粒子位置和动量的确定度 狭缝对电子束起了两种作用：一是将它的坐标限制在缝 宽d的范围内，一是使电子在坐标方向上的动量发生了 变化。这两种作用是相伴出现的，不可能既限制了电子 的坐标，又能避免动量发生变化。 如果缝愈窄，即坐标愈确定，则在坐标方向上的动量 就愈不确定。因此，微观粒子的坐标和动量不能同时有 确定的值。 1927年，海森堡首先推导出不确定关系： 二、不确定关系 三、讨论 1．不确定关系只适