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1、一、经典的粒子和经典的波一、经典的粒子和经典的波1、经典的粒子的基本特征、经典的粒子的基本特征粒子有一定的空间大小、一定的质量和电荷量粒子的运动遵从牛顿第二定律粒子有确定的位置、速度以及时空中确定的轨道。2、经典的波的基本特征、经典的波的基本特征在空间具有弥散性具有一定的频率、波长具有时空的周期性在经典物理学中，波和粒子是两个不同的研究对象，在经典物理学中，波和粒子是两个不同的研究对象，具有非常不同的表现，互不相容，遵从不同的规律具有非常不同的表现，互不相容，遵从不同的规律第一页，编辑于星期一：八点 二十一分。德布罗意波的统计解释德布罗意波的统计解释1926年德国物理学家波恩提出了概率波，认为
2、个别微观粒子年德国物理学家波恩提出了概率波，认为个别微观粒子在何处出现有一定的偶然性，但大量粒子在空间何处出现的在何处出现有一定的偶然性，但大量粒子在空间何处出现的空间分布却服从一定的统计规律。空间分布却服从一定的统计规律。光的强弱对应于光的强弱对应于光子的数目，明光子的数目，明纹处达到的光子纹处达到的光子数多，明纹表示数多，明纹表示光子达到的概率光子达到的概率大。暗纹反之。大。暗纹反之。第二页，编辑于星期一：八点 二十一分。7 7个电子个电子100100个电子个电子300030002000020000一个一个电子依次入射双缝的衍射实验：一个一个电子依次入射双缝的衍射实验：70000体现了粒子
3、性体现了粒子性体现了波动性体现了波动性粒子出现的粒子出现的概率高概率高粒子出现的概率低粒子出现的概率低第三页，编辑于星期一：八点 二十一分。通过上述实验可知：通过上述实验可知： 虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但在屏上各虽然不能肯定某个光子落在哪一点，但在屏上各处明暗不同可以推知，光子落在各点的概率是不一样处明暗不同可以推知，光子落在各点的概率是不一样的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗处的概率小。的，即光子落在明纹处的概率大，落在暗处的概率小。则光子在空间出现的概率可以通过衍射、干涉的明暗则光子在空间出现的概率可以通过衍射、干涉的明暗条纹这样的波动规律确定。条纹这样的波动规律确定。 -光是一
4、种概率波。光是一种概率波。物质波也具有波粒二象性，同样物质波也具有波粒二象性，同样物质波也是概率波物质波也是概率波。现象：现象：1、单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现、单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率的大小可以由波动规律确定。的概率的大小可以由波动规律确定。2、大量粒子，概率的分布导致确定的宏观结果。电子数、大量粒子，概率的分布导致确定的宏观结果。电子数越多，规则的条纹越来越明显。越多，规则的条纹越来越明显。第四页，编辑于星期一：八点 二十一分。 1探究光的波动性原因探究光的波动性原因 在双缝干涉实验中，使光源在双缝干涉实验中，使光源S非常弱，以非常弱，以致前一个光子到
5、达屏后才发射第二个光子。致前一个光子到达屏后才发射第二个光子。这样就排除了光子之间的相互作用的可能性。这样就排除了光子之间的相互作用的可能性。实验结果表明，尽管单个光子的落点不可预实验结果表明，尽管单个光子的落点不可预知，但长时间曝光之后仍然得到了干涉条纹知，但长时间曝光之后仍然得到了干涉条纹分布。可见，光的波动性不是光子之间的相分布。可见，光的波动性不是光子之间的相互作用引起的。互作用引起的。第五页，编辑于星期一：八点 二十一分。 2光波是一种概率波光波是一种概率波 (1)单个光子运动的偶然性单个光子运动的偶然性 用弱光照射双缝，当照射时间很短时，胶片用弱光照射双缝，当照射时间很短时，胶片上
6、出现的是散乱的感光点，这一个个感光点表明上出现的是散乱的感光点，这一个个感光点表明光在与胶片作用光在与胶片作用(使其感光使其感光)时，是一份一份进行时，是一份一份进行的；同时，感光点的散乱还表明单个光子通过双的；同时，感光点的散乱还表明单个光子通过双缝后到达胶片的什么位置是随机的，是预先不能缝后到达胶片的什么位置是随机的，是预先不能确定的。确定的。第六页，编辑于星期一：八点 二十一分。 (2)大量光子运动的必然性大量光子运动的必然性 当弱光照射双缝较长一段时间后，有大量光子先当弱光照射双缝较长一段时间后，有大量光子先后通过双缝落于胶片上，出现大量的感光点，这些感后通过双缝落于胶片上，出现大量的
7、感光点，这些感光点形成分隔的一条条感光带，这正是光的双缝干涉光点形成分隔的一条条感光带，这正是光的双缝干涉条纹。在明条纹条纹。在明条纹(感光强感光强)处光子到达的多，单个光子处光子到达的多，单个光子到明条纹处的概率大，而在暗条纹到明条纹处的概率大，而在暗条纹(感光弱感光弱)处，光子处，光子到达的概率小，因此，尽管单个光子通过双缝后落于到达的概率小，因此，尽管单个光子通过双缝后落于胶片上何处是随机的，但它到达胶片上某位置处的概胶片上何处是随机的，但它到达胶片上某位置处的概率大小却符合波动规律，从这个意义上讲，光是一种率大小却符合波动规律，从这个意义上讲，光是一种概率波。概率波。第七页，编辑于星期
8、一：八点 二十一分。 3其他微观粒子的概率波其他微观粒子的概率波 对于电子、实物粒子等其他微观粒子，对于电子、实物粒子等其他微观粒子，同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物同样具有波粒二象性，所以与它们相联系的物质波也是概率波。质波也是概率波。 也就是说，单个粒子位置是不确定的，也就是说，单个粒子位置是不确定的，具有偶然性；大量粒子运动具有必然性，具有偶然性；大量粒子运动具有必然性，遵循统计规律，概率波将波动性和粒子性遵循统计规律，概率波将波动性和粒子性统一在一起。统一在一起。 第八页，编辑于星期一：八点 二十一分。1、与实物粒子相联系的物质波也是概率波，、与实物粒子相联系的物质波也是概率波
9、，即单个粒子的位置是不确定的，但粒子在某点即单个粒子的位置是不确定的，但粒子在某点附近的概率的大小可以由波动的规律确定。附近的概率的大小可以由波动的规律确定。2、对大量粒子来说，概率大的位置达到的粒、对大量粒子来说，概率大的位置达到的粒子数多，概率小的位置达到的粒子数少。子数多，概率小的位置达到的粒子数少。对事物粒子的波粒二象性的理解对事物粒子的波粒二象性的理解第九页，编辑于星期一：八点 二十一分。一、光的单缝衍射一、光的单缝衍射激激光光束束像像屏屏若光子是经典粒子，在屏上的落点应在缝的投影之内若光子是经典粒子，在屏上的落点应在缝的投影之内,由由于衍射于衍射，落点会超出单缝投影的范围，其它粒子
10、也一样，落点会超出单缝投影的范围，其它粒子也一样，说明微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律，说明微观粒子的运动已经不遵守牛顿运动定律，不能同时用不能同时用粒子的位置和动量粒子的位置和动量来描述粒子的运动了来描述粒子的运动了第十页，编辑于星期一：八点 二十一分。入入射射粒粒子子屏上各点的亮度实际上反映屏上各点的亮度实际上反映了粒子到达该点的概率了粒子到达该点的概率（1）在挡板左侧位置完全不确定）在挡板左侧位置完全不确定（2）在缝处位置不确定范围是）在缝处位置不确定范围是缝宽缝宽a=x（3）在缝后方向有动）在缝后方向有动量，也是不确定的量，也是不确定的,p第十一页，编辑于星期一：八点 二十一分。若
11、减小缝宽：位置的不确定范围减小，但中央亮纹若减小缝宽：位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽，所以方向动量的不确定量变大变宽，所以方向动量的不确定量变大1927年海森伯提出：年海森伯提出：粒子在某方向上的坐标粒子在某方向上的坐标不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不确定量与该方向上的动量不确定量的乘积必不小于普朗克常数。不小于普朗克常数。二、海森伯不确定关系二、海森伯不确定关系第十二页，编辑于星期一：八点 二十一分。 1粒子位置的不确定性粒子位置的不确定性 单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于挡单缝衍射现象中，入射的粒子有确定的动量，但它们可以处于挡板左侧的任何位置，也就是
12、说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定板左侧的任何位置，也就是说，粒子在挡板左侧的位置是完全不确定的。的。 2粒子动量的不确定性粒子动量的不确定性 微观粒子具有波动性，会发生衍射。大部分粒子到达狭缝微观粒子具有波动性，会发生衍射。大部分粒子到达狭缝之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影之前沿水平方向运动，而在经过狭缝之后，有些粒子跑到投影位置以外。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量。由于位置以外。这些粒子具有与其原来运动方向垂直的动量。由于哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直哪个粒子到达屏上的哪个位置是完全随机的，所以粒子在垂直方向上的动量也具有不确定性，不
13、确定量的大小可以由中央亮方向上的动量也具有不确定性，不确定量的大小可以由中央亮条纹的宽度来衡量。条纹的宽度来衡量。第十三页，编辑于星期一：八点 二十一分。第十四页，编辑于星期一：八点 二十一分。第十五页，编辑于星期一：八点 二十一分。 不确定关系是建立在波粒二象性基础上的一条基本客观不确定关系是建立在波粒二象性基础上的一条基本客观规律，它是波粒二象性的深刻反应，也是对波粒二象性的规律，它是波粒二象性的深刻反应，也是对波粒二象性的进一步描述。进一步描述。 不确定关系是由物质本身固有的特性所决定的，而不是不确定关系是由物质本身固有的特性所决定的，而不是由于仪器或测量方法的缺陷所造成的。不论测量仪器的精由于仪器或测量方法的缺陷所造成的。不论测量仪器的精度有多高，我们认识一个物理体系的精确度也要受到限制。度有多高，我们认识一个物理体系的精确度也要受到限制。 不确定关系说明经典描述手段对微观粒子不再适用。不确定关系说明经典描述手段对微观粒子不再适用。 不确定关系指明了宏观物理与微观物理的分界线。不确定关系指明了宏观物理与微观物理的分界线。在某个具体问题中，粒子是否可作为经典粒子来处理，在某个具体问题中，粒子是否可作为经典粒子来处理，起关健作用的是普朗克恒量起关健作用的是普朗克恒量h的大小。的大小。三、物理模型与物理现象三、物理模型与物理现象第十六页，编辑于星期一：八点 二十一分。
