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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
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
sJ100512 34 ???? ?.h??????? tE
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
0E
?
??
mI
2mI
稳定基态 0E 确定0,0,EEt ?????
激发态 E不稳定
不确定EtEt,,0 ????? ?
E?:能级宽度
跃迁,辐射谱线宽度0EE ?
h
EEE
h
EEE 00 )2()2( ???
?
???
?? ?
? ? ?
应用举例,粒子的发现 ?/J
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
ht
??? ?2 194
34
106.1103.62
1063.6
?
?
????
??
? s1001 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
练习 已知, 电子处于某能级,eV39.3,s10
08 ???? ? EEt
求,E?定量该能级能量的最小不确
?? ?及辐射光子由该能级跃迁到基态,
解,1)
)J(10055.110 10055.1 268 34 ?? ? ??????? tE ?
????? tE
)eV(1059.6 6???
2)
??
hchEE ???
0
)m(1067.3106.139.3 1031063.6 719
834
0
?
?
?
???? ?????? EE hc?
)m(1013.7)( 152
0
?????
??? EEE
hc?
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
?? ???????? tEpx x,
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

tE
px x
??
??

和 可同时取零
tE
px x

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。
则即可认为
是可忽略的小量,若在所研究的问题中
,0
,
??
?
?? ???????? tEpx x,
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
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。
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)
微观粒子的基本属性不能用经典语言确切表达,
“波粒二象性” ——借用经典语言进行互补性描述。
对微观客体的数学描述可以脱离日常生活经验,避免借
用经典语言引起的表观矛盾。
量子力学包含一套计算规则及对数学程式的物理解释,
是建立在基本假设之上的 构造性理论,其正确性由实践
检验。
量子力学用 波函数 描述微观粒子的运动状态,波函数所
遵从的方程 ——薛定谔方程 是量子力学的基本方程。
波函数和薛定谔方程都是量子力学的基本假设之一。
§ 17.3 波函数 薛定谔方程
薛定谔( 1887-1961),奥地利物著
名的理论物理学家,量子力学的重要奠
基人之一,同时在固体的比热、统计热
力学、原子光谱及镭的放射性等方面的
研究都有很大成就。 于 1933年同英国物
理学家狄拉克共获诺贝尔物理奖。
薛定谔的波动力学把物质波表示成数学形式,建立了量子力学
中描述微观粒子 (如电子等 )运动状态的基本定律,与经典力学中的
牛顿运动定律地位相当。 在经典极限下,薛定谔方程可以过渡到经
典力学哈密顿方程。 薛定谔方程在粒子运动速率远小于光速的条件
下适用。
1943年发表, 生命是什么?, 引导许多物理学家参与生物学的研
究工作,使物理学和生物学相结合,开创了现代分子生物学,该文
被誉为分子生物学的, 汤姆叔叔的小屋, 。
德布罗意关系 海森伯 矩阵力学
薛定谔 波动力学


量子力学的建立
狄拉克
相对论量子力学
例,一维自由粒子的波函数
经典描述,沿 x 轴匀速直线运动
量子描述,确定,守恒; ??pE ?,
类比,单色平面波
??,一定 沿直线传播
一,物质波的波函数及其统计解释
1,波函数, 描述微观客体的运动状态,是概率波的
数学表达形式。
),,,(),( tzyxΨtrΨ ?? 一般表示为复指数函数形式
)(2c o s)(c o s 00 ???? xtΨuxtΨΨ ????
)(2c o s0 ph xthEΨ ?? ? )(1c o s0 xpEtΨ x ??? ?
以坐标原点为参考点,
.0 方向传播沿,波以速率设 xu ???
推广, 三维自由粒子波函数 )(
0),(
rpEtieΨtrΨ ???? ????
)(
0),(
xpEti xeΨtxΨ ???? ?(取实部)
欧拉公式,??? s i nco s ie i ??
??? s i nc o s ie i ???
一维自由粒子波函数
2.波函数的强度 ——模的平方
*2|| ΨΨΨ ?? 波函数与其共轭复数的积
例,一维自由粒子,
2
0
)(
0
)(
0
*2|),(| ΨeΨeΨΨΨtxΨ xptEh
ixptEi
xx ????? ?????? ?
3.波函数的统计解释
光栅衍射 电子衍射 类比
2oEI ? 2||ΨI ?
NNhI ?? ? NI ?
I大处,到达光子数多
I小处,到达光子数少
I=0,无光子到达
各光子起点、终点、
路径均不确定
用 I 对屏上光子数
分布作概率性描述
各电子起点、终点、路
径均不确定
2||Ψ用
对屏上电子数分布
作概率性描述
I大,电子到达该处概率大
I= 0:电子到达该处概率为零
I小:电子到达该处概率小
光栅衍射 电子衍射
VΨNN d||d 2 ???
VN
NΨΨtzyxΨ
d
d|),,,(| *2
????
一般情况,
t 时刻,到达空间 r( x,y,z) 处某体积 dV内的粒子数
? t 时刻,出现在空间( x,y,z)点附近单位体积内的粒
子数与总粒子数之比
? t 时刻,粒子出现在空间( x,y,z)点附近单位体积内的
概率-概率密度。
? t 时刻,粒子在空间的概率密度分布
2|),,,(| tzyxΨ 的物理意义,
?? ??u
h
mc
mv
h 2??
cvc ??
2
波的相速度(对物质波而言没有物理意义)
1) 物质波的波函数 不表示任何实在物理量的波动,
不描述介质中运动状态(相位)传播的过程。
注意,
:|| 2Ψ
概率密度,描述粒子在空间的统计分布
,本身,而是有物理意义的不是 2||)2 ΨΨ

概率幅
.
||||)3 22
描述同一概率波和
比值),空间各点的相对大小(
在的绝对大小,而是重要的不是
Ψc Ψ
ΨΨ
遵从叠加原理Ψ)4
21 ΨΨΨ ??
2
*
1
*
21
*
22
*
11
2
21
2 ||||
ΨΨΨΨΨΨΨΨ
ΨΨΨ
????????
??
干涉项
4,波函数的归一化条件和标准条件
粒子在整个空间出现的概率为 1
1
d
dddd|| 2 ????? ??? NNN
N
VVN NVΨ
VV
1) 归一化条件
对微观客体的量子力学描述,
脱离日常生活经验,避免借用经典语言引起的表观矛盾,
将波粒二象性统一到一起。
.是单值、有限、连续的Ψ
2) 标准条件
二、薛定谔方程
,量子力学的基本方程—所遵从的方程是波函数 Ψ
是量子力学的基本假设之一,其正确性由实验检验。
1,建立 (简单 → 复杂,特殊 → 一般)
1)一维自由粒子的振幅方程
tEitEixpixptEi exeeΨeΨtxΨ xx ???? ??????? ????? )(),(
0
)(
0 ?
式中,xpi xeΨx ?? ?
0)(?
振幅函数
与驻波类比
要求波函数 Ψ(x,t )的模方,只需求振幅函数
的模方。
?建立关于振幅函数 的方程 ——振幅方程
)(x?
)(x?
2*
**2
|)(|)()(
)()(|),(|
xxx
exexΨΨtxΨ
tEitEi
???
??
???
????
?
??
tEiextxΨ ?? ??? )(),( ?
)(d )(d 0 xpieΨpix x xxp
i
x
x ??
??
? ??
)(d )(d 2
2
2
2
xpx x x ?? ??? *
xpi xeΨx ?? ?
0)(?
振幅函数
非相对论考虑
自由粒子,
m
pmvEE x
x 22
1 22
k ???
mEp x 22 ?
0?U势函数
代入 *得
0)(2d )(d 22
2
?? xmEx x ?? ?
0)(2d )(d 22
2
?? xmEx x ?? ?
即,一维自由粒子的振幅方程
2) 一维定态薛定谔方程
粒子在力场中运动,且势能不随时间变化
0)()(2d )(d 22
2
??? xUEmx x ?? ?
即:一维定态薛定谔方程

)(22 2
2
pk UEmpUm
pEEE
x
x ???????
)(d )(d 2
2
2
2
xpx x x ?? ??? *
代入
3)三维定态薛定谔方程
0)(2 22
2
2
2
2
2
??????????? ???? UEmzyx ?
拉普拉斯算符
2
2
2
2
2
2
2
zyx ?
??
?
??
?
???
0),,()(2),,( 22 ???? zyxUEmzyx ?? ?
即,三维定态薛定谔方程
),,( zyx?? ?振幅函数
4) 一般形式薛定谔方程
),,,( tzyxΨΨ ?
哈密顿算符 U
m ????
2
2
2H
? ?
t
ΨiΨ
?
?? ?H?
本课程只要求定态问题,
一维,
三维,
0)(2dd 22
2
??? ?? UEmx ?
0)(2 22 ???? ?? UEm?
求解问题的思路,
1,写出具体问题中势函数 U(r)的形式代入方程
2,用分离变量法求解
3,用归一化条件和标准条件确定积分常数
只有 E取某些特定值时才有解
本征值 本征函数
4,讨论解的物理意义,
即求 |? |2,得出粒子在空间的概率分布。
练习,
德布罗意波的波函数与经典波的本质区别是什么?
经典波,实在的物理量(位移、场强,..)随时间、
空间按波动规律变化。
德布罗意波,
概率波。其波函数(概率幅)不表示实在物理量的波
动,没有直接的物理意义。波函数的强度表示粒子在
空间的概率密度分布。
练习, 将波函数在空间各点的振幅同时增大 D倍,则
粒子在空间的分布概率将
1)增大 D2 倍,2)增大 2D倍,
3)增大 D倍,4)不变。
答案,D