德布羅意波45不確定性關(guān)系課件-高二下學(xué)期物理粵教版選擇性2

第四章

波粒二象性第4~5節(jié)

德布羅意波不確定性關(guān)系通過(guò)對(duì)雙縫干涉、光電效應(yīng)等一系列問(wèn)題的研究，人們終于認(rèn)識(shí)到光既有粒子性，又有波動(dòng)性。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到如電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子是具有粒子性的，那么，實(shí)物粒子是否也會(huì)同時(shí)具有波動(dòng)性呢學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解德布羅意波假說(shuō)2.了解不確定性關(guān)系，知道經(jīng)典物理與微觀物理的區(qū)別一、德布羅意波假說(shuō)1924年，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意在對(duì)光的波粒二象性、玻爾氫原子理論以及相對(duì)論的深入研究的基礎(chǔ)上，把波粒二象性推廣到實(shí)物粒子，如電子、質(zhì)子等。

他提出假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系。德布羅意，法國(guó)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。德布羅意提出假設(shè):實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性，即每一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子都與一個(gè)對(duì)應(yīng)的波相聯(lián)系。粒子的能量ε和動(dòng)量p跟它所對(duì)應(yīng)的波的頻率v和波長(zhǎng)λ之間，遵從如下關(guān)系：這種與實(shí)物粒子相聯(lián)系的波叫做德布羅意波，也叫物質(zhì)波。其波長(zhǎng)

稱(chēng)為德布羅意波長(zhǎng)。普朗克常量h架起了粒子性與波動(dòng)性之間的橋梁。波動(dòng)性粒子性一質(zhì)量為m=1×10-2kg，速度υ=3.0102m/s飛行的子彈，對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：電子m=9.1

10-31kg，由靜止經(jīng)100V電壓加速，對(duì)應(yīng)的德布羅意波長(zhǎng)為：太小，無(wú)法觀測(cè)到波動(dòng)性可能觀察到電子的波動(dòng)性二、電子衍射波的干涉波的衍射單縫寬0.8mm單縫寬0.4mm如果電子、質(zhì)子等實(shí)物粒子也真具有波動(dòng)性，那么它們就應(yīng)該像光波那樣也能發(fā)生干涉和衍射。0.1nm射線X射線衍射圖樣1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄提議，利用晶中體排列規(guī)則的物質(zhì)微粒作為衍射光柵，來(lái)檢驗(yàn)倫琴射線的波動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)獲得了成功，證實(shí)倫琴射線就是波長(zhǎng)為十分之幾納米的電磁波。若電子具有波動(dòng)性的理論成立，那么電子打在晶體上應(yīng)也能觀察到衍射現(xiàn)象。屏P多晶薄膜高壓柵極陰極電子衍射實(shí)驗(yàn)電子束穿過(guò)鋁箔后的衍射X射線衍射1927年C.J.戴維森和G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫之子）利用電子束穿過(guò)晶體做了電子束的衍射實(shí)驗(yàn)。因此，共同獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯姆孫戴維孫實(shí)物粒子的衍射實(shí)物粒子的干涉大量電子的一次行為1961年瓊森（ClausJ?nsson）將一束電子加速到50Kev，讓其通過(guò)一縫寬為a=0.510-6m，間隔為

d=2.010-6m的雙縫，當(dāng)電子撞擊熒光屏?xí)r，發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似于雙縫衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大量實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了：質(zhì)子、中子和原子、分子等實(shí)物微觀粒子都具有波動(dòng)性，并都滿(mǎn)足德布洛意關(guān)系。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(zhǎng)三、不確定性關(guān)系入射粒子xyOa細(xì)縫處位置不確定范圍取決于縫寬a=Δx。問(wèn)題：一個(gè)光子通過(guò)狹縫的瞬間，它是從擋板左側(cè)哪個(gè)準(zhǔn)確位置進(jìn)入細(xì)縫呢？也就是說(shuō)，光子通過(guò)狹縫的瞬間，其坐標(biāo)x為多少答案：完全不確定。不確定范圍有多大坐標(biāo)X位置不確定范圍是Δx，可用縫寬a來(lái)表示。（Δx）入射粒子xyOaθ結(jié)論：微觀粒子的位置測(cè)得越準(zhǔn)確，動(dòng)量就越不準(zhǔn)確。動(dòng)量測(cè)得越準(zhǔn)確，位置就越不準(zhǔn)確。x入射粒子yOaθ海森伯不確定關(guān)系1927年海森伯提出：不確定性關(guān)系Δx表示粒子位置的不確定量Δp表示粒子在X方向上的動(dòng)量的不確定量

h是普朗克常量1.物理意義：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。不確定關(guān)系式表明：微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得越準(zhǔn)確(

x0)

，動(dòng)量就越不準(zhǔn)確(

p

)

；微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得越準(zhǔn)確(

p0)

，坐標(biāo)就越不準(zhǔn)確(

x

)

。微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。不確定關(guān)系的物理意義和微觀本質(zhì)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(méi)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(cè)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)值能量量子化不確定度關(guān)系無(wú)實(shí)際意義遵循不確定度關(guān)系坐標(biāo)動(dòng)量軌跡能量不確定性關(guān)系經(jīng)典物理和微觀物理的區(qū)別1.(多選)關(guān)于物質(zhì)波，下列認(rèn)識(shí)正確的是(

)A.只要是運(yùn)動(dòng)的物體，不論是宏觀物體，還是微觀粒子，都有相應(yīng)的波動(dòng)性，這就是物質(zhì)波B.只有運(yùn)動(dòng)的微觀粒子才有物質(zhì)波，對(duì)于宏觀物體，不論其是否運(yùn)動(dòng)，都沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波C.由于宏觀物體的德布羅意波波長(zhǎng)太小，所以難以觀察到它們的波動(dòng)性D.電子束照射到金屬晶體上得到了電子束的衍射圖樣，從而證實(shí)了德布羅意的假設(shè)是正確的ACD2.根據(jù)物質(zhì)波理論，下列說(shuō)法正確的是（

）A.微觀粒子有波動(dòng)性，宏觀物體沒(méi)有波動(dòng)性B.宏觀物體和微觀粒子都具有波動(dòng)性C.宏觀物體的波動(dòng)性不易被人觀察到是因?yàn)樗牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)D.速度相同的質(zhì)子和電子相比，電子的波動(dòng)性更為節(jié)明顯BD3.利用金屬晶格(大小約10－10m)作為障礙物觀察電子的衍射圖樣，方法是讓電子束通過(guò)電場(chǎng)加速后，照射到金屬晶格上，從而得到電子的衍射圖樣。已知電子質(zhì)量為m，電荷量為e，初速度為0，加速電壓為U，普朗克常量為h，則下列說(shuō)法中正確的是（）A.該實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了電子具有粒子性

B.實(shí)驗(yàn)中電子束的德布羅意波的波長(zhǎng)為λ＝C.加速電壓U越大，電子的衍射現(xiàn)象越明顯

D.若用相同動(dòng)能的質(zhì)子替代電子，衍射現(xiàn)象將更加明顯B1.實(shí)物粒子和光一樣具有波粒二象性。2.德布羅意波的波長(zhǎng)：3.海森伯提出：不確定性關(guān)系不確定關(guān)