人教版高中物理选修3-5 17.3-4-5 粒子的波动性 概率波 不确定性关系 课件:33张PPT

课件33张PPT。第十七章 波粒二象性第3节 粒子的波动性 有记者曾问英国物理学家、诺贝尔获奖者布拉格教授：光是波还是粒子？
布拉格幽默地回答道：“星期一、三、五它是一个波，星期二、四、六它是一个粒子，星期天物理学家休息。”
那么光的本性到底是什么？粒子性波动性（具有能量）（具有频率）（具有动量）h----架起了粒子性与波动性之间的桥梁一、光的波粒二象性（具有波长）二、粒子的波粒二象性
德布罗意，法国物理学家，1929年诺贝尔物理学奖获得者，波动力学的创始人，量子力学的奠基人之一。
1924年，26岁的德布罗意考虑到普朗克量子和爱因斯坦光子理论的成功，在博士论文《关于量子理论的研究》中大胆地把光的波粒二象性推广实物粒子，如电子，质子等。他提出实物粒子也具有波动性。这种与实物粒子相联系的波称为德布罗意波。二、粒子的波粒二象性1、物质波：一个质量为m的实物粒子，以速率V 运动时，即具有以能量ε和动量p所描述的粒子性，同时也具有以频率ν和波长λ所描述的波动性。2、物质波的波长、频率一切实物粒子都有波动性 实物粒子的波粒二象性的意思是：
微观粒子既表现出粒子的特性，又表现出波动的特性。
大量光子易表现波动性，少量光子易表现粒子性。 这种和实物粒子相联系的波称为德布罗意波 ( 物质波或概率波 )，其波长 ? 称为德布罗意波长。 由光的波粒二象性的思想推广到微观粒子和任何运动着的物体上去，得出物质波（德布罗意波）的概念：任何一个运动着的物体都有一种波与它对应，该波的波长 λ = h/p。 二、粒子的波粒二象性三、物质波的实验证据
1、1912年，德国物理学家劳厄，利用X 射线照在晶体上可以产生衍射X 射线就是一中波长为十分之几纳米的电磁波；证实电子打在晶体上也能观察电子衍射。
2、实物粒子的波动性---电子衍射实验
1927年，戴维孙与汤姆孙利用晶体作电子束衍射实验，得到教材P38页图17.3-1的衍射图样，证实了电子波动性。 物质波的一个最重要的应用就是电子显微镜的发明．第一台电子显微镜是由德国鲁斯卡研制成功，荣获1986年诺贝尔物理奖．
从波动光学可知，由于显微镜的分辨本领与波长成反比，光学显微镜的最大分辨距离大于0.2 μm，最大放大倍数也只有1000倍左右．
　 自从发现电子有波动性后，电子束德布罗意波长比光波波长短得多，而且极方便改变电子波的波长，这样就能制造出用电子波代替光波的电子显微镜．三、物质波的应用电子显微镜下的薰衣草叶子1电子显微镜下的纳米纤维1电子显微镜下的灰尘电子显微镜下的红细胞1电子显微镜下的二分裂1小结：一、德布罗意的物质波二、德布罗意波的实验验证3.量子围栏(Quantum Corral)中的驻波1. 电子衍射实验12. 电子衍射实验2戴维逊－革末实验G.P.汤姆逊（电子衍射实验。三、物质波的应用电子显微镜物理选修3-5 第十七章 波粒二象性第4节 概率波 一、经典的粒子和经典的波1、经典的粒子的基本特征⑴粒子有一定的空间大小、一定的质量和电荷量；
⑵ 粒子的运动遵从牛顿第二定律
⑶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⑴在空间具有弥散性
⑵ 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，
具有非常不同的表现，互不相容，遵从不同的规律二、概率波1、光波是概率波 1926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空间分布却服从一定的统计规律。实验现象：明纹处达到的光子数多，明纹表示光子达到的概率大。暗纹反之。二象性统计解释光的波粒二象性的统计观点解释摄影底板或显微观察二、概率波2、德布罗意波（物质波）也是概率波 电子和其他微观粒子，同样具有波粒二象性。物质波也是概率波。电子的双缝干涉图样中的实验现象：
明纹处是电子落点概率大的地方；
暗纹处是电子落点概率小的地方；
某处电子出现概率的大小受波动规律的支配。电子单个依次入射双缝的衍射实验现象体现了粒子性体现了波动性屏上记录了有限个较少的电子时，显示出电子的粒子性波粒二象性随着电子数的增多，电子的波动性就渐渐显现出来了。1.光波是一种概率波：光的波动性不是光子之间的相互作用引起的，而是光子自身固定的性质。光子在空间出现的概率可通过波动规律确定。所以，从光子的概念上看，光波是一种概率波。2.物质波也是概率波：对于电子和其他微观粒子，单个粒子的位置是不确定的，但在某点附近出现的概率大小可由波动的规律确定。对于大量粒子，这种概率分布导致确定的宏观结果，所以物质波也是概率波。概率波1.单个粒子运动的偶然性：我们可以知道粒子落在某点的概率，但不能确定在什么位置，即粒子到达什么位置是随机的，是预先不确定的。对概率波的理解2.大量粒子运动的必然性：由波动规律，我们可以准确地知道大量粒子运动的统计规律，因此我们可以对宏观现象进行预言。3.概率波体现了波粒二象性的和谐统一：概率波的主体是光子和实物粒子，体现了粒子性的一面；同时粒子在某一位置出现的概率受波动规律的支配，体现了波动性的一面。所以说，概率波将波动性和粒子性统一在一起。物理选修3-5 第十七章 波粒二象性第5节 不确定性关系 根据经典物理学，如果我们已知一物体的初始位置和初始速度，就可以准确地确定物体在任意时刻的位置和速度。 但是在微观世界中，由于微观粒子具有波动性，其坐标和动量不能同时确定，因此我们不能用经典的方法来描述它的运动规律。激光束 若光子是经典粒子，在屏上的落点应在缝的投影区之内。 由于衍射，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，不能同时用粒子的位置和动量来描述粒子的运动了。像屏1. 在挡板左侧位置完全不确定2. 在缝处位置不确定范围是缝宽 a = Δx 若减小缝宽：位置的不确定范围减小，但中央亮纹变宽，所以 x 方向动量的不确定量( Δpx )变大3. 在缝后x方向有动量，也是不确定的（0≤ px ≤sinφ)不确定关系位置和动量的不确定关系微观粒子不能同时具有确定的位置和动量，1927年，德国物理学家海森伯提出 海森伯不确定关系告诉我们：
微观粒子的坐标和动量不能同时确定。粒子位置若是测得极为准确，我们将无法知道它将要朝什么方向运动；
若是动量测得极为准确，我们就不可能确切地测准此时此刻粒子究竟处于什么位置。不确定关系是物质的波粒二象性引起的。对于微观粒子，我们不能用经典物理学来描述。海森伯不确定关系对于宏观物体没有施加有效的限制。微观粒子和宏观物体的特性对比不确定性关系的物理意义和微观本质1. 物理意义 微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。粒子位置的不确定量 ?x 越小，动量的不确定量 ?px 就越大，反之亦然。2. 微观本质 是微观粒子的波粒二象性及粒子空间分布遵从统计规律的必然结果。应用：扫描隧道显微镜(STM)原理：
利用电子的隧道效应。 金属样品外表面有一层电子云，电子云的密度随着与表面距离的增大呈指数形式衰减，将原子线度的极细的金属探针靠近样品，并在它们之间加上微小的电压，其间就存在隧道电流，隧道电流对针尖与表面的距离及其敏感，如果控制隧道电流保持恒定，针尖的在垂直于样品方向的变化，就反映出样品表面情况。48个Fe原子形成
“量子围栏”，
围栏中的电子形成驻波。1. 海森伯不确定关系2. 不确定关系的物理意义