第五篇量子现象和量子规律 第17章量子力学的基本原理 本章共3讲
? 本章共3讲 第五篇 量子现象和量子规律 第17章 量子力学的基本原理
817.2不确定关系(续) 位置与动量的不确定关系 二.时间和能量的不确定关系 粒子能量的不确定量与其寿命的不确定量互相制约。 △E·M≥hh h =1.05×10-34Js 2丌 解释原子谱线宽度: 基态E稳定M→∞,△E→0,E确定 E 激发态E不稳定 M≠0,△E≥,E不确定 △t 能级宽度:△E
一.位置与动量的不确定关系 §17.2 不确定关系(续) 二. 时间和能量的不确定关系 1 05 10 J s 2 34 = = − . h Et 粒子能量的不确定量与其寿命的不确定量互相制约。 解释原子谱线宽度： E E0 m I Im 2 基态E0稳定 t → ,E → 0,E0确定 激发态E不稳定 E不确定 t t 0, E , 能级宽度: E
E→E跃迁,辐射谱线宽度 4,.(E+)-E(E、4E △E )-E0 h 应用举例:/Y粒子的发现 19661974年,丁肇中与里特克实验小组,分别在美国布鲁克 海文国立实验室和斯坦福直线加速器中心,用不同方法独立发现 同一种静质量很大的新粒子判据:mE2,4t=?,用能量不确 定关系确定寿命:能量不确定度为0.063MeV 6.63×10-34 2mE2兀×63×10×1.6×10-19≈1.0×10-s 由此证明存在笫四种夸克(粲夸克c),为大 统一理论提供实验基础。丁肇中、里特克共同 获得1976年诺贝尔物理学奖
E → E0 跃迁，辐射谱线宽度 h E E E h E E E 0 0 ) 2 ) ( 2 ( − − − − + 应用举例： J / 粒子的发现 1966—1974年，丁肇中与里特克实验小组，分别在美国布鲁克 海文国立实验室和斯坦福直线加速器中心，用不同方法独立发现 同一种静质量很大的新粒子(判据：m=E/c2，△t =? ),用能量不确 定关系确定寿命：能量不确定度为0.063MeV。 E h t 2 4 19 34 2 6.3 10 1.6 10 6.63 10 − − = 1 0 10 s −20 . 由此证明存在第四种夸克（粲夸克c） ，为大 统一理论提供实验基础。丁肇中、里特克共同 获得1976年诺贝尔物理学奖
三练习已知:电子处于某能级M=10°s,E-En=339V 求:该能级能量的最小不确量△E 由该能级跃迁到基态,辐射光子及△元 解:1)△E·M≥h h1.055×10 △E≥ 10 1.055×10-(J =659×10(eV) hc 2)E-En=hv △a= c △E=713×10-(m) (E-E0)2 hc663×1034×3×10 E-E2 339×16×1049 367×10-(m)
练习 已知：电子处于某能级 10 s, 3.39e V, 0 8 = − = − t E E 求： 该能级能量的最小不确定 量E 由该能级跃迁到基态，辐射光子及 解：1） 1.055 10 (J) 10 1.055 10 26 8 34 − − − = = t E Et 6.59 10 (eV) −6 = 2） hc E − E0 = h = 3.67 10 (m) 3.39 1.6 10 6.63 10 3 10 7 1 9 3 4 8 0 − − − = = − = E E hc 7.13 10 (m) ( ) 15 2 0 − = − = E E E hc
不确定关系的物理实质 1说明用经典方式来描述微观客体是不可能完全准确 的,经典模型不适用于微观粒子。 借用经典手段来描述微观客体时,必须对经典概念的 相互关系和结合方式加以限制 不确定关系就是这种限制的定量关系 Ax·个px≥,△E·M≥h 注意:不确定(测不准)关系不是实验误差, 不是由于理论不完善或仪器不准确引起的。 它来自微观粒子的本性
三、不确定关系的物理实质 注意：不确定（测不准）关系不是实验误差， 不是由于理论不完善或仪器不准确引起的。 它来自微观粒子的本性。 1.说明用经典方式来描述微观客体是不可能完全准确 的，经典模型不适用于微观粒子。 借用经典手段来描述微观客体时，必须对经典概念的 相互关系和结合方式加以限制 不确定关系就是这种限制的定量关系 x px , Et
2.给出了宏观与微观物理世界的界限,经典粒子模型 可应用的限度 Ax·4x≥h,△E·M≥h 若在所研究的问题啦是可忽略的小量: 即可认为→0,则 由△x和△ △E和△可同时取零 x和P E和t 可同时确定 该问题可用经典力学处理,否则要用量子力学处理
2.给出了宏观与微观物理世界的界限，经典粒子模型 可应用的限度 由 E t x px 和 和 可同时取零 E t x px 和 和 可同时确定 该问题可用经典力学处理，否则要用量子力学处理。 即可认为 则 若在所研究的问题中 是可忽略的小量， 0, , → x px , Et
3.互补原理哥本哈根精神 为什么宏观世界与微观世界遵循的规律有如此巨大的 差别? 观测行为在被测事件中所引起的那部分原则上不 可控制的干扰是讨论原子现象时起决定作用的一个 特征” 海森伯 测量反映着客体、仪器和观察者的相互作用 宏观世界:可不计及“测量”对被测对象状态的影响 1)认为自然过程是连续的,原则上可把测量干扰连续减 小,限制在所需的测量精度内 2)认为客体与仪器的相互作用服从因果决定论,可以估 算和控制千扰,修正测量值
3 .互补原理——哥本哈根精神 为什么宏观世界与微观世界遵循的规律有如此巨大的 差别？ “观测行为在被测事件中所引起的那部分原则上不 可控制的干扰是讨论原子现象时起决定作用的一个 特征” ——海森伯 宏观世界：可不计及“测量”对被测对象状态的影响。 1）认为自然过程是连续的，原则上可把测量干扰连续减 小，限制在所需的测量精度内。 2）认为客体与仪器的相互作用服从因果决定论，可以估 算和控制干扰，修正测量值。 测量——反映着客体、仪器和观察者的相互作用
微观世界:不能不计及测量行为产生的干扰 1)以“量子化”取代连续性,作用量子h的存在规 定了千扰的范围,无法超越。 2)以概率性描述取代“决定论”,使对测量的干扰 不可控制,不可预测,不能校正。 不同的实验装置决定了不同的可测量,显示出客体某 些方面的特性而抑制其它方面的特性 电子 电子 显示粒子性 显示浪动性 抑制浪动性 抑制粒子性
微观世界：不能不计及测量行为产生的干扰。 1）以“量子化”取代连续性，作用量子 h 的存在规 定了干扰的范围，无法超越。 2）以概率性描述取代“决定论”，使对测量的干扰 不可控制，不可预测，不能校正。 不同的实验装置决定了不同的可测量，显示出客体某 些方面的特性而抑制其它方面的特性 显示粒子性 抑制波动性 显示波动性 抑制粒子性
类比: 弹簧的两个影子:一个似波 另一个似圆。如果只能从影子 去认知这个弹簧,你会认为它 是什么呢? 量子现象不只属于被观测的客体,而是属于客体和 仪器整体,反映的不仅仅是客体的存在和性质,而 且是客体和仪器的“关系”。 类比: 相对论中,长度、寿命、质量的测量结果反映了客体与作为参考 的惯性系间的关系。 仅在“课堂”条件下观察,不可能了解某同学在运动方面的特长 犹如“瞎子摸象”,我们得出的各种结论不是互相排斥 对立的,而是互相补充协调的,共同揭示客体的属性
量子现象不只属于被观测的客体，而是属于客体和 仪器整体，反映的不仅仅是客体的存在和性质，而 且是客体和仪器的“关系”。 弹簧的两个影子：一个似波， 另一个似圆。如果只能从影子 去认知这个弹簧，你会认为它 是什么呢？ 类比： 相对论中，长度、寿命、质量的测量结果反映了客体与作为参考 的惯性系间的关系。 仅在“课堂”条件下观察，不可能了解某同学在运动方面的特长。 类比： 犹如“瞎子摸象”，我们得出的各种结论不是互相排斥、 对立的，而是互相补充协调的，共同揭示客体的属性
微观客体的本来面目究竟如何?已超出经验范围,用经 典概念和语言来描述只能是互补性的,不确定关系就是 对互补原理的数学表述。 必须记住,我们所观察的并不是自然本身,而是自然向 我们的探索方法所暴露的一面。 海森伯 “在我们对大自然的描述中,目的不是去揭露所有现象 的真谛,而只是尽我们所能去追踪经验中种种不同方 面之间的关系。 物理学不告诉我们世界是什么,而是告诉我们关于 世界我们能谈论些什么 破尔 4爱因斯坦的不同观点(自学§175)
必须记住，我们所观察的并不是自然本身，而是自然向 我们的探索方法所暴露的一面。 －－－海森伯 微观客体的本来面目究竟如何？已超出经验范围，用经 典概念和语言来描述只能是互补性的，不确定关系就是 对互补原理的数学表述。 “物理学不告诉我们世界是什么，而是告诉我们关于 世界我们能谈论些什么” ——玻尔 “在我们对大自然的描述中，目的不是去揭露所有现象 的真谛，而只是尽我们所能去追踪经验中种种不同方 面之间的关系。“ 4.爱因斯坦的不同观点（自学 §17.5）