《微观世界的物理学幻灯片.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微观世界的物理学幻灯片.ppt（36页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、微观世界的物理学1第1页，共36页，编辑于2022年，星期六一一.物质粒子的物质粒子的波粒二象性波粒二象性二二.原子能级原子能级和和量子跃迁量子跃迁三三.量子力学的某些应用量子力学的某些应用四四.向更深度的微观领域进军向更深度的微观领域进军 反粒子反粒子和和真空真空量子力学和相对论是量子力学和相对论是2020世纪建立和发世纪建立和发展起来的现代物理学的两大支柱展起来的现代物理学的两大支柱2第2页，共36页，编辑于2022年，星期六一一.物质粒子的波粒二象性物质粒子的波粒二象性 “波粒二象性波粒二象性”概念是量子力学的基础概念是量子力学的基础.“量量子子力力学学”极极大大地地拓拓展展了了人人类类
2、研研究究、认认识识、应应用用自自然然的的疆疆域域;由由它它孕孕育育并并获获得得飞飞速速发发展展的的现现代代科科技技极极大大地地改改变变了了人人们们的的工作和生活方式工作和生活方式,极大地促进了人类社会的发展极大地促进了人类社会的发展.人们通过人们通过2020世纪最初世纪最初2020余年的探索发余年的探索发现现,不能利用牛顿力学研究原子不能利用牛顿力学研究原子.后来发后来发现这完全是因为微观粒子具有明显的波现这完全是因为微观粒子具有明显的波粒二象性粒二象性.人们终于醒悟到人们终于醒悟到,为了将物理为了将物理学推广到微观领域学推广到微观领域,需要改变牛顿力学中需要改变牛顿力学中的某些的某些“旧旧”
3、观念观念,根据实验结果建立新概根据实验结果建立新概念念,并在此基础上建立一种全新的物理理论并在此基础上建立一种全新的物理理论.1.1.物质波假设物质波假设;2.2.实验验证实验验证;3.3.什么是物质波什么是物质波3第3页，共36页，编辑于2022年，星期六1.1.物质波假设物质波假设 19211921年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦,表彰他表彰他19051905年提出的光年提出的光子说子说.光子是构成光或电磁场的基本粒子光子是构成光或电磁场的基本粒子,E=h,p=h/.E=h,p=h/.光不仅光不仅具有波动性具有波动性(1864),(1864),而且具有粒子性而且
4、具有粒子性(1905)(1905).这使当时正在法国巴黎大学物理系攻读博士学位的德这使当时正在法国巴黎大学物理系攻读博士学位的德布罗意受到极大的启发和激励布罗意受到极大的启发和激励.他于是想他于是想,既然具有波动既然具有波动性的光或电磁场这样的客体会显示出粒子性性的光或电磁场这样的客体会显示出粒子性,那么为什么我们那么为什么我们通常看成是粒子的客体不会显示出波动的性质呢通常看成是粒子的客体不会显示出波动的性质呢?4第4页，共36页，编辑于2022年，星期六2.2.实验验证实验验证判断德布罗意关于物质波的假设是否正确的最好办法是判断德布罗意关于物质波的假设是否正确的最好办法是:用用实物粒子实物粒
5、子(如电子如电子)做干涉衍射实验做干涉衍射实验 光波波长光波波长0.50.5微米微米,电子的德布罗意波长确电子的德布罗意波长确万分之一微米万分之一微米!1927 1927年年,物理学家终于得到了电子束通过晶物理学家终于得到了电子束通过晶体所产生的干涉衍射图样体所产生的干涉衍射图样.5第5页，共36页，编辑于2022年，星期六6第6页，共36页，编辑于2022年，星期六 其后数十年间其后数十年间,物理学家证实了电子、原子、分子以及原物理学家证实了电子、原子、分子以及原子核等一切微观粒子都具有波动性子核等一切微观粒子都具有波动性.可见可见,不仅光和电磁场具不仅光和电磁场具有波粒二象性有波粒二象性,
6、一切实物也都具有波粒二象性一切实物也都具有波粒二象性.波粒二象性是自然界中一切物质的普遍属性波粒二象性是自然界中一切物质的普遍属性.为什么宏观现象中没有发现物质波为什么宏观现象中没有发现物质波?p=h/:飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿亿亿亿分子一米亿亿亿分子一米;原子中电子的德布罗意波长大约是百亿分子原子中电子的德布罗意波长大约是百亿分子一米一米(与原子的线度相同与原子的线度相同).).7第7页，共36页，编辑于2022年，星期六历史回眸历史回眸 1924.11.德布罗意向巴黎大学理学院提交了一篇博士论文,题为量子理论的研究.在该文中,他提出了物质粒子具有
7、波动性的假设.当时学位评审委员会不知道怎样对待这篇文章,就将它寄给了爱因斯坦.一向偏爱对称性的爱因斯坦被这篇论文深深地打动了.于是学位委员会通过了德布罗意的论文.5年后他成了第一位因学位论文而获得诺贝尔物理学奖的人.德布罗意原来喜欢文学,并于1910年获巴黎大学文学士学位.后来才喜欢上当时盛行的自然科学,经过学习,于1913年获理学学士.8第8页，共36页，编辑于2022年，星期六应用应用:用用X X射线或电子、原子、分子束所得到的射线或电子、原子、分子束所得到的晶体晶体的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构(如原子间如原子间距及排列方式等距及排列方式等)的信息的
8、信息,于是于是,固体和凝聚态物理固体和凝聚态物理学有了实验基础学有了实验基础,从而得到了飞速发展从而得到了飞速发展,并在此基础并在此基础上形成了诸如新材料、半导体和微电子、纳米技术、上形成了诸如新材料、半导体和微电子、纳米技术、电子显微镜技术以及原子显示和操纵技术等电子显微镜技术以及原子显示和操纵技术等.9第9页，共36页，编辑于2022年，星期六3.3.什么是物质波什么是物质波?物质的粒子性和波动性这两个概念怎样统一体现在物质的粒子性和波动性这两个概念怎样统一体现在一个微观客体上一个微观客体上?19271927年德国物理学家玻恩年德国物理学家玻恩提出提出“概率假设概率假设”:物质波物质波(或
9、德布罗意波或德布罗意波)是是“概率波概率波”在电子波的干涉实验中在电子波的干涉实验中,每秒大约有每秒大约有10001000个电子个电子穿过两条狭缝穿过两条狭缝.四幅照四幅照片嚗光时间分别是片嚗光时间分别是（a a）0.1s;0.1s;（b b）3s;3s;（c c）20s;20s;（d d）70s 70s 微观世界中充满了概率微观世界中充满了概率性性!10第10页，共36页，编辑于2022年，星期六二二.原子能级和量子跃迁原子能级和量子跃迁 波粒二象性的三个重要结果是波粒二象性的三个重要结果是:原子能量状态的原子能量状态的“分立性分立性”;状态变状态变化的化的“跳跃性跳跃性”;位置和动量位置和
10、动量(能量能量)的的“不确定性不确定性”.1.1.原子能级原子能级(能量的分立性能量的分立性)驻波性驻波性11第11页，共36页，编辑于2022年，星期六l=n/2,n=1,2,3,由由于于n n只只能能取取分分立立的的值值,因因此此原原子子中中电电子子运运动动的的半半径径r r、速速度度v,v,以以及及动动量量、能能量量等等常常常常只能具有分立的值只能具有分立的值.“量子性量子性”;“量子态量子态”;“量子数量子数”.(与宏观世界的情景截然不同与宏观世界的情景截然不同)(p=h/);E=hp=h/);E=h12第12页，共36页，编辑于2022年，星期六原子的能级原子的能级 原子中电子的驻波
11、性引起了它的能量的分立性原子中电子的驻波性引起了它的能量的分立性（E=hE=h）,因此因此,原子中电子的可能的能量值是分立的原子中电子的可能的能量值是分立的.I=13.6eV13第13页，共36页，编辑于2022年，星期六能级图能级图2.2.量子跃迁量子跃迁 由于原子中电子能量状态的分立由于原子中电子能量状态的分立性性,因此因此原子状态的改变必然原子状态的改变必然是是“跳跃式跳跃式”的的.氢原子产生辐射氢原子产生辐射.薛定格薛定格(Schording)Schording)方程方程14第14页，共36页，编辑于2022年，星期六原子光谱原子光谱15第15页，共36页，编辑于2022年，星期六我们
12、对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识我们对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识.建立在波粒二象性基础上的量子力学首先应用于建立在波粒二象性基础上的量子力学首先应用于原子结构原子结构,其其后又应用于后又应用于分子分子和和原子核原子核领域领域,都取得了巨大成就都取得了巨大成就.量子力学曾被揶喻为量子力学曾被揶喻为“儿童力学儿童力学”.不同原子（如不同原子（如H H、HeHe、O O、C C）、）、分子（如分子（如H H2 2、COCO2 2、DNADNA）及原及原子核都具有子核都具有特定的能级结构特定的能级结构,因此具有因此具有特定的光谱特定的光谱(称为称为“特征光谱特征光谱”.于是
13、我们可以通过量子力学理论的计算对它们的光谱结构作出预言于是我们可以通过量子力学理论的计算对它们的光谱结构作出预言;反之反之,通过精密的光谱实验对理论进行检验通过精密的光谱实验对理论进行检验,提出修正提出修正.物理学家正是物理学家正是通过这样的实验和理论的不断反复通过这样的实验和理论的不断反复,对原子结构有了相当深入的认识对原子结构有了相当深入的认识.16第16页，共36页，编辑于2022年，星期六3.3.不确定性不确定性 这这个个波波包包压压缩缩到到一一半半时时,它它的的位位置置的的不不确确定定程程度度减减小小了了,但但与与此此同同时时发发生生的的情情况况是是:它它的的波波长长（）减减小小了了
14、,动动量量（p=h/p=h/）增增加加了了,因因而而它它的的动动量量的的不不确确定定程程度度增增加加了了!可可见见,由由于于物物质质粒粒子子的的波波动动性性,微微观观粒粒子子的的位位置置愈愈确确定定,则则它它的的动量动量(及能量及能量)就愈不确定就愈不确定;反之亦然反之亦然.局限在愈小空间内局限在愈小空间内的微观粒子的微观粒子,其能其能量愈大量愈大18第18页，共36页，编辑于2022年，星期六三三.量子力学的某些应用量子力学的某些应用 1.1.原子光谱原子光谱 不同原子（如不同原子（如H H、HeHe、O O、C C）、）、分子（如分子（如H H2 2、COCO2 2、DNADNA）及原子核
15、都具有及原子核都具有特定的能级结构特定的能级结构,因此具有因此具有“特征光谱特征光谱”.在天体物理学、化学、地学、材料科学等领域在天体物理学、化学、地学、材料科学等领域,常常通过光谱分析来辨认和量化物质的组分通过光谱分析来辨认和量化物质的组分.在钢铁和其在钢铁和其他金属加工企业中他金属加工企业中,光谱分析常用于检验产品的质量光谱分析常用于检验产品的质量.光谱分析光谱分析也是了解太阳和遥远的恒星成分的唯一工具也是了解太阳和遥远的恒星成分的唯一工具.19第19页，共36页，编辑于2022年，星期六 量子理论的最大成就量子理论的最大成就之一是之一是,为化学建立了理为化学建立了理论基础论基础.量子力学
16、不仅解量子力学不仅解释了元素周期表释了元素周期表,而且孕而且孕育发展了化学键理论、育发展了化学键理论、化学动力学、量子化学化学动力学、量子化学等学科等学科.化学键理论的化学键理论的开拓者开拓者,诺贝尔化学奖获诺贝尔化学奖获得者鲍林说过得者鲍林说过,“化学化学没有那一部份的基本理没有那一部份的基本理论是不依赖于量子原理论是不依赖于量子原理的的”.20第20页，共36页，编辑于2022年，星期六2.2.受激发射和光的放大受激发射和光的放大(激光激光)自发辐射自发辐射(亿分之一秒亿分之一秒)与受激发射与受激发射(光放大光放大)红宝石激光器红宝石激光器粒子数反转粒子数反转21第21页，共36页，编辑于
17、2022年，星期六22第22页，共36页，编辑于2022年，星期六23第23页，共36页，编辑于2022年，星期六3.3.固体的能带固体的能带 物理学家原来只知道导体和绝缘体物理学家原来只知道导体和绝缘体,只是在量子理论的指引下只是在量子理论的指引下,通过通过对原子的能级和固体的能带进行计算和分析后才发现了半导体对原子的能级和固体的能带进行计算和分析后才发现了半导体,随后发随后发明了晶体管和集成电路明了晶体管和集成电路,从而才能使我们的社会进入信息化时代从而才能使我们的社会进入信息化时代.24第24页，共36页，编辑于2022年，星期六25第25页，共36页，编辑于2022年，星期六4.4.扫
18、描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)(STM)26第26页，共36页，编辑于2022年，星期六“互补原理互补原理”波粒二象性波粒二象性是一个确切的是一个确切的实验事实实验事实,微观世界的概率性、微观世界的概率性、不确定性不确定性,以及微观粒子状态的分立性等都起源于此以及微观粒子状态的分立性等都起源于此.按照物理学家按照物理学家玻尔玻尔的说法的说法,波和粒子两种概念在描述微观波和粒子两种概念在描述微观现象和解释实验时都是不可缺少的现象和解释实验时都是不可缺少的,是是“互补的互补的”.他认他认为为,只有将这些既排斥、又互补的概念汇集在一起只有将这些既排斥、又互补的概念汇集在一起,才才能对现象作出详
19、尽无遗的描述能对现象作出详尽无遗的描述.他常借助如下例子说明他常借助如下例子说明他的观点他的观点:银币有正反两面银币有正反两面,在任何时刻我们只能看到在任何时刻我们只能看到其中一面其中一面,不能同时看到两面不能同时看到两面;但只有当银币的正反但只有当银币的正反两面都看到后两面都看到后,才能说我们对此银币有了较完整的认才能说我们对此银币有了较完整的认识识.物质粒子的波粒二象性物质粒子的波粒二象性;原子能级和量子原子能级和量子跃迁跃迁;量子力学的某些应用量子力学的某些应用 27第27页，共36页，编辑于2022年，星期六四四.向更深度的微观领域进军向更深度的微观领域进军 -反粒子和真空反粒子和真空
20、1.1.反粒子反粒子相对论和量子力学相结合的产物相对论和量子力学相结合的产物电子电子和和“反电子反电子”理论预言理论预言:1927 1927年年,Dirac,Dirac,“相对论性量子力学方程相对论性量子力学方程”28第28页，共36页，编辑于2022年，星期六实验验证实验验证 19321932年年,美国物理学家安德森将一台能捕捉微观粒子径迹美国物理学家安德森将一台能捕捉微观粒子径迹的仪器的仪器“云室云室”安置在高山上安置在高山上.当带电粒子进入充满蒸气的当带电粒子进入充满蒸气的云室中时云室中时,在它经过的路经上就会产生雾滴在它经过的路经上就会产生雾滴,并触发照相机进并触发照相机进行拍摄行拍摄
21、.29第29页，共36页，编辑于2022年，星期六 正电子与电子一样都是稳定粒子正电子与电子一样都是稳定粒子,但是一旦正电子与但是一旦正电子与电子相遇电子相遇,就会同时凐灭就会同时凐灭,并转化为光子并转化为光子;反之反之,在一定条在一定条件下件下,光子也能将能量注入真空光子也能将能量注入真空,并从其中产生正反电子并从其中产生正反电子对对 30第30页，共36页，编辑于2022年，星期六反物质反物质 正电子是电子的反粒子正电子是电子的反粒子 所有的粒子都存在相应的反粒子所有的粒子都存在相应的反粒子 反质子反质子（19551955）、）、反中子反中子（19561956）,反氘核反氘核（一个反质子与
22、一个反中子的组合）（一个反质子与一个反中子的组合）反氦核反氦核（两个反质子与一个反中子的组合）（两个反质子与一个反中子的组合）“反物质反物质”-它们的原子由反粒子构成它们的原子由反粒子构成.?31第31页，共36页，编辑于2022年，星期六2.2.真空不空真空不空什么是真空什么是真空?日常观念日常观念:真空是一无所有的空间真空是一无所有的空间.根据由大量精确实验支持的根据由大量精确实验支持的现代物理学理论现代物理学理论:真真空实际上具有非常丰富的物理内容空实际上具有非常丰富的物理内容,甚至可以说甚至可以说,“真空是物理的全部真空是物理的全部”.32第32页，共36页，编辑于2022年，星期六
23、真空并不平静真空并不平静.真空中尽管不真空中尽管不存在存在“实粒子实粒子”,但仍然可能存但仍然可能存在各种在各种“虚粒子虚粒子”的产生、凐的产生、凐灭和相互转化灭和相互转化.在一万亿分之一米线度的真空中在一万亿分之一米线度的真空中,存在相当于存在相当于2020对对正、负电子对的正、负电子对的能量涨落能量涨落,有可能有可能“凭空凭空”产生出产生出2020对正、对正、负电子对负电子对!依此类推依此类推,在更为细微的时空尺度上在更为细微的时空尺度上,能量的涨落能量的涨落更大更大,此时还可能产生质量更大的正反粒子对此时还可能产生质量更大的正反粒子对,如虚如虚子对、子对、虚虚介子对、虚质子对介子对、虚质
24、子对,甚至虚夸克对甚至虚夸克对(统称为统称为“虚粒子对虚粒子对”)等等等等.真空涨落真空涨落 各种粒子的确可以各种粒子的确可以“从虚无中产生从虚无中产生”.根据海森伯的根据海森伯的“不确定性原理不确定性原理”:在愈细微的时空中在愈细微的时空中,能量的不确性愈大能量的不确性愈大33第33页，共36页，编辑于2022年，星期六 以往的经典物理学所以未能揭示出真空的这以往的经典物理学所以未能揭示出真空的这些性质些性质,只是因为我们考察得不够细致只是因为我们考察得不够细致.为了揭示真空的内涵为了揭示真空的内涵,必须在更细微的尺必须在更细微的尺度（度（11GeVGeV）进行考察进行考察.34第34页，共
25、36页，编辑于2022年，星期六小结小结 1.1.为了更好地认识和利用宏观为了更好地认识和利用宏观,必须深入认识和把握微必须深入认识和把握微观观.2.2.微观粒子的最基本特性是微观粒子的最基本特性是“波粒二象性波粒二象性”,这是一个确切这是一个确切的实验事实的实验事实.微观世界的概率性、量子性、不确定性均起源于此微观世界的概率性、量子性、不确定性均起源于此.3.3.在波粒二象性观念上建立的在波粒二象性观念上建立的“量子力学量子力学”是人们认识微观是人们认识微观世界的物理学世界的物理学.20.20世纪其他自然科学以及高新科技领域的发展都世纪其他自然科学以及高新科技领域的发展都是建立在这个理论基础之上的是建立在这个理论基础之上的.4.4.相对论和量子力学相结合相对论和量子力学相结合,发现了发现了“反粒子反粒子”;因此因此,电电磁场和实物粒子磁场和实物粒子(如电子和正电子如电子和正电子)可以互相转化可以互相转化.5.5.愈细微时空中存在着愈强烈的能量涨落愈细微时空中存在着愈强烈的能量涨落,真空不空真空不空.真真空中存在各种空中存在各种“虚粒子虚粒子”的产生、凐灭和相互转化的产生、凐灭和相互转化.35第35页，共36页，编辑于2022年，星期六谢谢 谢谢36第36页，共36页，编辑于2022年，星期六