2022-2023学年高二物理竞赛课件：微观粒子的波粒二象性 不确定关系

微观粒子的波粒二象性 不确定关系 微观粒子的波粒二象性 不确定关系 主要内容： 1. 物质波 2. 物质波的实验证明 3. 不确定关系 理学院 物理系 陈强 物质波 光 波动性 (  , v) 粒子性 (m , p) 实物粒子 波动性 (  , v) 粒子性 (m , p) 实物粒子具有波粒二象性. 频率 波长 德布罗意假设(1924年)： 与实物粒子相联系的称为德布罗意波或物质波. 理学院 物理系 陈强 戴维孙—革末电子散射实验(1927年)，观测到电子衍射现象. 电子束 X射线 衍射图样（波长相同） 电子双缝干涉图样 质波的实验验证 杨氏双缝干涉图样 随后，同一年汤姆孙电子束衍射实验，观测到电子衍射现象. 理学院 物理系 陈强 计算经过电势差 U1 =150 V 和 U2 =104 V 加速的电子的德布罗意波长（不考虑相对论效应）. 例 解 根据 ，加速后电子的速度为 根据德布罗意关系 p = h /  ，电子的德布罗意波长为 波长分别为 说明 电子波波长 光波波长 << 电子显微镜分辨能力远大于 光学显微镜 理学院 物理系 陈强 不确定关系 1. 动量 — 坐标不确定关系 x 电子束 微观粒子的位置坐标 x 、 动量 分量 px 不能同时具有确定的值. 分别是 x， px 同时具有的不确定量，则其乘积 下面借助电子单缝衍射试验加以说明. （海森伯坐标和动量的不确定关系） 理学院 物理系 陈强 x 入射 电子束 △x 第一级暗纹： 则 减小缝宽 △x, x 确定的越准确 px的不确定度, 即△px越大 粒子的波动性 不确定关系 结论： （1）微观粒子没有确定的轨道； （2）微观粒子不可能静止. 理学院 物理系 陈强 子弹（m = 0.10 g ,v = 200 m/s）穿过 0.2 cm 宽的狭缝. 例 解 求 沿缝宽方向子弹的速度不确定量. 子弹速度的不确定量为 若让 理学院 物理系 陈强 原子的线度约为 10-10 m ，求原子中电子速度的不确定量. 电子速度的不确定量为 氢原子中电子速率约为 106 m/s.速率不确定量与速率本身的数量级基本相同，因此原子中电子的位置和速度不能同时完全确定，也没有确定的轨道. 原子中电子的位置不确定量 10-10 m，由不确定关系 例 解 说明 理学院 物理系 陈强 例 氦氖激光器所发红光波长  = 6328 Å，谱线宽度   = 10-8 Å . 求 当这种光子沿 x 方向传播时，它的 x 坐标不确定度(波列长度) . 解 理学院 物理系 陈强 2. 能量 — 时间不确定关系 反映了原子能级宽度△E 和原子在该能级的平均寿命 △t 之间的关系。 基态 辐射光谱线固有宽度 激发态 E 基态 寿命△t 光辐射 能级宽度 平均寿命 Δt ~ 10-8 s 平均寿命 Δt  ∞ 能级宽度 ΔE  0 理学院 物理系 陈强 取离散值 S N F S N z 斯特恩—革拉赫实验 Ag 原子气体 N S 实验结果 ml 有2l+1个值 —— 2个 ? 理学院 物理系 陈强 $