微觀世界的物理學(xué)1第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一.物質(zhì)粒子的波粒二象性二.原子能級和量子躍遷三.量子力學(xué)的某些應(yīng)用四.向更深度的微觀領(lǐng)域進(jìn)軍—反粒子和真空量子力學(xué)和相對論是20世紀(jì)建立和發(fā)展起來的現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱2第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六一.物質(zhì)粒子的波粒二象性

“波粒二象性”概念是量子力學(xué)的基礎(chǔ).

“量子力學(xué)”極大地拓展了人類研究、認(rèn)識、應(yīng)用自然的疆域;由它孕育并獲得飛速發(fā)展的現(xiàn)代科技極大地改變了人們的工作和生活方式,極大地促進(jìn)了人類社會的發(fā)展.人們通過20世紀(jì)最初20余年的探索發(fā)現(xiàn),不能利用牛頓力學(xué)研究原子.后來發(fā)現(xiàn)這完全是因為微觀粒子具有明顯的波粒二象性.人們終于醒悟到,為了將物理學(xué)推廣到微觀領(lǐng)域,需要改變牛頓力學(xué)中的某些“舊”觀念,根據(jù)實驗結(jié)果建立新概念,并在此基礎(chǔ)上建立一種全新的物理理論.

1.物質(zhì)波假設(shè);2.實驗驗證;3.什么是物質(zhì)波3第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六1.物質(zhì)波假設(shè)

1921年的諾貝爾物理學(xué)獎受于愛因斯坦,表彰他1905年提出的光子說.

光子是構(gòu)成光或電磁場的基本粒子,E=hν,p=h/λ.光不僅具有波動性(1864),而且具有粒子性(1905).

這使當(dāng)時正在法國巴黎大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位的德布羅意受到極大的啟發(fā)和激勵.他于是想,既然具有波動性的光或電磁場這樣的客體會顯示出粒子性,那么為什么我們通?？闯墒橇Ｗ拥目腕w不會顯示出波動的性質(zhì)呢?4第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.實驗驗證判斷德布羅意關(guān)于物質(zhì)波的假設(shè)是否正確的最好辦法是:用實物粒子(如電子)做干涉衍射實驗

光波波長λ≈0.5微米,電子的德布羅意波長確λ≈萬分之一微米!1927年,物理學(xué)家終于得到了電子束通過晶體所產(chǎn)生的干涉衍射圖樣.5第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六6第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

其后數(shù)十年間,物理學(xué)家證實了電子、原子、分子以及原子核等一切微觀粒子都具有波動性.可見,不僅光和電磁場具有波粒二象性,一切實物也都具有波粒二象性.

波粒二象性是自然界中一切物質(zhì)的普遍屬性.

為什么宏觀現(xiàn)象中沒有發(fā)現(xiàn)物質(zhì)波?p=h/λ:

飛行子彈的德布羅意波長大約只有一億億億億分子一米;

原子中電子的德布羅意波長大約是百億分子一米(與原子的線度相同).7第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六歷史回眸1924.11.德布羅意向巴黎大學(xué)理學(xué)院提交了一篇博士論文,題為《量子理論的研究》.在該文中,他提出了物質(zhì)粒子具有波動性的假設(shè).當(dāng)時學(xué)位評審委員會不知道怎樣對待這篇文章,就將它寄給了愛因斯坦.一向偏愛對稱性的愛因斯坦被這篇論文深深地打動了.于是學(xué)位委員會通過了德布羅意的論文.5年后他成了第一位因?qū)W位論文而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的人.德布羅意原來喜歡文學(xué),并于1910年獲巴黎大學(xué)文學(xué)士學(xué)位.后來才喜歡上當(dāng)時盛行的自然科學(xué),經(jīng)過學(xué)習(xí),于1913年獲理學(xué)學(xué)士.

8第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六應(yīng)用:

用X－射線或電子、原子、分子束所得到的晶體的干涉衍射圖樣中包含了晶體微觀結(jié)構(gòu)(如原子間距及排列方式等)的信息,于是,固體和凝聚態(tài)物理學(xué)有了實驗基礎(chǔ),從而得到了飛速發(fā)展,并在此基礎(chǔ)上形成了諸如新材料、半導(dǎo)體和微電子、納米技術(shù)、電子顯微鏡技術(shù)以及原子顯示和操縱技術(shù)等.

9第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六3.什么是物質(zhì)波?

物質(zhì)的粒子性和波動性這兩個概念怎樣統(tǒng)一體現(xiàn)在一個微觀客體上?

1927年德國物理學(xué)家玻恩提出“概率假設(shè)”:物質(zhì)波(或德布羅意波)是“概率波”在電子波的干涉實驗中,每秒大約有1000個電子穿過兩條狹縫.四幅照片嚗光時間分別是（a）0.1s;（b）3s;（c）20s;（d）70s微觀世界中充滿了概率性!10第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六二.原子能級和量子躍遷

波粒二象性的三個重要結(jié)果是:原子能量狀態(tài)的“分立性”;狀態(tài)變化的“跳躍性”;位置和動量(能量)的“不確定性”.

1.原子能級(能量的分立性)駐波性11第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六l=nλ/2,n=1,2,3,…

由于n只能取分立的值,因此原子中電子運動的半徑r、速度v,以及動量、能量等常常只能具有分立的值.

“量子性”;“量子態(tài)”;“量子數(shù)”.(與宏觀世界的情景截然不同)(p=h/λ);E=hν12第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六原子的能級

原子中電子的駐波性引起了它的能量的分立性（E=hν）,因此,原子中電子的可能的能量值是分立的.I=13.6eV13第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六能級圖2.量子躍遷由于原子中電子能量狀態(tài)的分立性,因此原子狀態(tài)的改變必然是“跳躍式”的.氫原子產(chǎn)生輻射.

薛定格(Schording)方程14第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六原子光譜15第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六我們對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識就是指對原子的能級結(jié)構(gòu)的認(rèn)識.

建立在波粒二象性基礎(chǔ)上的量子力學(xué)首先應(yīng)用于原子結(jié)構(gòu),其后又應(yīng)用于分子和原子核領(lǐng)域,都取得了巨大成就.

量子力學(xué)曾被揶喻為“兒童力學(xué)”.

不同原子（如H、He、O、C…）、分子（如H2、CO2、DNA）及原子核都具有特定的能級結(jié)構(gòu),因此具有特定的光譜(稱為“特征光譜”.于是我們可以通過量子力學(xué)理論的計算對它們的光譜結(jié)構(gòu)作出預(yù)言;反之,通過精密的光譜實驗對理論進(jìn)行檢驗,提出修正.物理學(xué)家正是通過這樣的實驗和理論的不斷反復(fù),對原子結(jié)構(gòu)有了相當(dāng)深入的認(rèn)識.16第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六歷史回眸

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氫原子的玻爾模型(1913)概率分布!17第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六3.不確定性

這個波包壓縮到一半時,它的位置的不確定程度減小了,但與此同時發(fā)生的情況是:它的波長（λ）減小了,動量（p=h/λ）增加了,因而它的動量的不確定程度增加了!可見,由于物質(zhì)粒子的波動性,微觀粒子的位置愈確定,則它的動量(及能量)就愈不確定;反之亦然.局限在愈小空間內(nèi)的微觀粒子,其能量愈大18第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六三.量子力學(xué)的某些應(yīng)用

1.原子光譜

不同原子（如H、He、O、C…）、分子（如H2、CO2、DNA）及原子核都具有特定的能級結(jié)構(gòu),因此具有“特征光譜”.在天體物理學(xué)、化學(xué)、地學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域,常通過光譜分析來辨認(rèn)和量化物質(zhì)的組分.在鋼鐵和其他金屬加工企業(yè)中,光譜分析常用于檢驗產(chǎn)品的質(zhì)量.光譜分析也是了解太陽和遙遠(yuǎn)的恒星成分的唯一工具.

19第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

量子理論的最大成就之一是,為化學(xué)建立了理論基礎(chǔ).量子力學(xué)不僅解釋了元素周期表,而且孕育發(fā)展了化學(xué)鍵理論、化學(xué)動力學(xué)、量子化學(xué)等學(xué)科.化學(xué)鍵理論的開拓者,諾貝爾化學(xué)獎獲得者鮑林說過,“化學(xué)沒有那一部份的基本理論是不依賴于量子原理的”.

20第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.受激發(fā)射和光的放大(激光)

自發(fā)輻射(億分之一秒)與受激發(fā)射(光放大)紅寶石激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)21第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六22第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六23第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六3.固體的能帶

物理學(xué)家原來只知道導(dǎo)體和絕緣體,只是在量子理論的指引下,通過對原子的能級和固體的能帶進(jìn)行計算和分析后才發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體,隨后發(fā)明了晶體管和集成電路,從而才能使我們的社會進(jìn)入信息化時代.

24第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六25第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六4.掃描隧道顯微鏡(STM)

26第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六“互補原理”

波粒二象性是一個確切的實驗事實,微觀世界的概率性、不確定性,以及微觀粒子狀態(tài)的分立性等都起源于此.按照物理學(xué)家玻爾的說法,波和粒子兩種概念在描述微觀現(xiàn)象和解釋實驗時都是不可缺少的,是“互補的”.他認(rèn)為,只有將這些既排斥、又互補的概念匯集在一起,才能對現(xiàn)象作出詳盡無遺的描述.他常借助如下例子說明他的觀點:銀幣有正反兩面,在任何時刻我們只能看到其中一面,不能同時看到兩面;但只有當(dāng)銀幣的正反兩面都看到后,才能說我們對此銀幣有了較完整的認(rèn)識.物質(zhì)粒子的波粒二象性;原子能級和量子躍遷;量子力學(xué)的某些應(yīng)用

27第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六四.向更深度的微觀領(lǐng)域進(jìn)軍

--反粒子和真空1.反粒子—相對論和量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物電子和“反電子”理論預(yù)言:1927年,Dirac,“相對論性量子力學(xué)方程”28第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六實驗驗證

1932年,美國物理學(xué)家安德森將一臺能捕捉微觀粒子徑跡的儀器—“云室”安置在高山上.當(dāng)帶電粒子進(jìn)入充滿蒸氣的云室中時,在它經(jīng)過的路經(jīng)上就會產(chǎn)生霧滴,并觸發(fā)照相機進(jìn)行拍攝.29第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

正電子與電子一樣都是穩(wěn)定粒子,但是一旦正電子與電子相遇,就會同時凐滅,并轉(zhuǎn)化為光子;反之,在一定條件下,光子也能將能量注入真空,并從其中產(chǎn)生正反電子對

30第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六反物質(zhì)正電子是電子的反粒子所有的粒子都存在相應(yīng)的反粒子反質(zhì)子（1955）、反中子（1956）,

反氘核（一個反質(zhì)子與一個反中子的組合）

反氦核（兩個反質(zhì)子與一個反中子的組合）

“反物質(zhì)”--它們的原子由反粒子構(gòu)成.?31第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2.真空不空什么是真空?

日常觀念:真空是一無所有的空間.根據(jù)由大量精確實驗支持的現(xiàn)代物理學(xué)理論:真空實際上具有非常豐富的物理內(nèi)容,甚至可以說,“真空是物理的全部”.32第32頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六

真空并不平靜.真空中盡管不存在“實粒子”,但仍然可能存在各種“虛粒子”的產(chǎn)生、凐滅和相互轉(zhuǎn)化.在一萬億分之一米線度的真空中,存在相當(dāng)于20對正、負(fù)電子對的能量漲落,有可能“憑空”產(chǎn)生出20對正、負(fù)電子對!依此類推,在更為細(xì)微的時空尺度上,能量的漲落更大,此時還可能產(chǎn)生質(zhì)量更大的正反粒子對,如虛μ子對、虛π介子對、虛質(zhì)子對,甚至虛夸克對(統(tǒng)稱為“虛粒子對”)等等.

真空漲落

各種粒子的確可以“從虛無中產(chǎn)生”.

根據(jù)海森伯的“不確定性原理”:在愈細(xì)微的時空中,能量的不確性愈大33第33頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六以往的經(jīng)典物理學(xué)所以未能揭示出真空的這些性質(zhì),只是因為我們考察得不夠細(xì)致.為了揭示真空的內(nèi)涵,必須在更細(xì)微的尺度（<一萬億分之一米）,或更高的能量上（>1GeV）進(jìn)行考察.

34第34頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六小結(jié)

1.為了更好地認(rèn)識和利用宏觀,必須深入認(rèn)識和把握微觀.2.微觀粒子的最基本特性是“波粒二象性”,這是一個確切的實驗事實.微觀世界