第十六章 量子力学基本原理 旧量子论：在经典理论框架中引入量子假设, 通过革新 基本观念，解决各局部领域的问题。 量子力学：从基本属性上认识微观粒子的运动规律 量子探险的两条道路－－－殊途同归 先建立理论，后寻求解释。 波动力学 矩阵力学

§16.1 物质波假设及其实验验证 一. 德布罗意物质波假设 1. 基本思想：自然界是对称统一的，光与实物粒子 应该有共同的本性。 单纯用 波动 粒子 均不能完整地描述光的性质 无法用经典语言准确建立光的模型 光的本性 的两个 不同侧面 波动性：表现在传播过程中（干涉、衍射） 粒子性： 表现在与物质相互作用中 （光电效应、康普顿效应、电子偶效应） 回顾

光子的量子理论模型 “ 波粒二象性 ” 借用经典 “ 波 ” 和 “ 粒 子 ” 术语，但既不是 经典波，又不是经 典粒子 光：既不是经典波，又不是经典粒子, 用量子理论描述 —— 光子 人类对光的本性的认识过程启发了德布罗意。

整个世纪以来，在辐射理论上，比起波动的研究 方法来，是过于忽视了粒子的研究方法；在实物理 论上，是否发生了相反的错误呢？是不是我们关于 粒子图象想得太多，而过分地忽略了波的图象呢？ 德布罗意 （ L.V.de Broglie) 1892 —— 1987

《辐射 —— 波与量子》 《光学 —— 光量子、衍射和干涉》 《量子气体运动理论及费马原理》 1923 年 9-10 月《法国科学院通报》： 1924 年博士论文： 《量子理论研究》 提出实物粒子 “ 波粒二象性 ” 概念及实验验证思路. 疑问重重：实物粒子的波动性怎么体现？ 实物粒子的波长、频率的具体含义是什么？ ……

德布罗意不能解答这些问题，但是他的立意新颖， 论述严谨，巴黎大学的教授们以惊异的心情听取了 他的报告，并给予高度评价。 爱因斯坦称赞道： “ 瞧瞧吧，看来疯狂，可真站得住脚呢 ! ” 德布罗意获得 1929 年诺贝尔物理奖。成为第一个 以博士论文获得诺贝尔物理奖的物理学家。

对当时最有生命力的理论的把握： 普朗克能量子理论， 爱因斯坦光量子理论 …… 为什么德布罗意能够提出如此具有独创性的见解？ 先进的科学观念 —— 自然界的对称性 自然界是对称统一的，光与实物粒子应该有 共同的本性。 创造性思维模式： 非逻辑思维（联想、想象、类比、灵感 … ）

物质波 实物 粒子 光 物理光学 —— 波动说 几何光学 —— 粒子说 传统力学 —— 粒子性 波动力学 —— 波动性 对称性：实物粒子与光类比 量子力学 “ 波粒二象性 ” 光子说

2. 对物质波的描述 德布罗意公式 简洁地把对粒子描述手段 和对波的描述手段 联系到一起 德布罗意波长 1) 与光子比较 光子 实物粒子

练习： 设光子与电子的德布罗意波长均为 λ ， 试比较其动量和能量大小是否相同。 又

注意：电子物质波波速 u  电子运动速率 v 思考： ？ 是否与 c 是自然界的极限速率矛盾 波的相速度（对物质波而言没有物理意义） 与 c 是自然界的极限速率不矛盾

2) 物质波数量级概念 子弹： 地球： 宏观物质 λ 均太小，难以觉察其波动特性

电子：

两种特例： （1）（1） 例：

（2）（2） 可以用晶体对电子的衍射来显示其波动性 检验德布罗意公式的正确性

二. 实验验证 1. 戴维孙 —— 革末实验 1923 年 用电子散射实验研究镍原子壳层结构 1925 年 偶然事件后实验曲线反常出现若干峰值，当 时未和电子衍射联系起来，改而研究镍的晶体结构。

1926 年 了解到德布罗意物质波假设 1927 年 有意识寻求电子波实验依 据， 2 ~ 3 个月出成果，观察到电子 衍射现象。 I

与德布罗意物质波假设相符 用 X 光衍射理论 （ P490 布拉格公式） 用德布罗意理论

2. 汤姆孙实验 单晶的劳厄相多晶的德拜相 用高能电子束（ 10 － 40keV ）直接穿过厚 m 的单 / 多晶膜，得到电子衍射照片 大量随机取向的微小晶体

戴维孙和汤姆孙共同获得 1937 年诺贝尔物理奖 用电子波衍射测出的晶格常数与用 X 光衍射测定的相同 发现电子的 J.J. 汤姆孙 之子

小资料

3. 其它实验 * 中性微观粒子， 具有波粒二象性 1936 年 中子束衍射 方位角 强度 误差 ≤ 2% 1929 年 斯特恩氢分子衍射 气压计 速度选择器

1961 年 电子单缝、双缝、多缝衍射 1986 年 证实固体中电子的波动性 * 微观粒子的波粒二象性是得到实验证实的科学结论 1. 波由粒子组成，波动性是粒子相互作用的次级效应 实验否定 : 电子一个个通过单缝，长时间积累也出现衍射效应 三. 对实物粒子波粒二象性的理解 历史上有代表性的观点 :

2. 粒子由波组成，是不同频率的波叠加而成的 “ 波包 ” 实验 否定 单个电子不能形成衍射花样 介质中频率不同的波 u 不同，波包应发 散，但未见电子 “ 发胖 ” 不同介质界面波应反射，折射，但 未见电子 “ 碎片 ” 波或粒子 ？ 在经典框架内无法统一 “ 波和粒子 ” ？

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。 一种崭新的观念和优美的数学方法 悄然而生 3. 玻恩 “ 概率波 ” 说（ 1954 年诺贝尔奖）

条纹明暗分布 —— 屏上光子数分布 强度分布曲线 —— 光子堆积曲线 设想： 通过光栅到达屏上某点 通过哪个缝 落到哪一点 不确定！ ？ 光 — 光子流 光的衍射： 回顾

光强分布 —— 光子落点概率分布, “ 光子波 ” —— 概率波 亮纹： 光子到达概率大 次亮纹： 光子到达概率小 暗纹： 光子到达概率为零 起点，终点，轨道 均不确定 只能作概率性判断 类比：与实物粒子相联系的物质波 —— 概率波 物质波的强度分布反映实物粒子出现在空间各处的概率 强度大： 电子到达概率大 强度小： 电子到达概率小 零强度： 电子到达概率为零

子弹干涉实验 子弹总是整颗到达，打开两孔的效应是单独打 开每孔效应之和： P 12 ＝ P 1 ＋ P 2 ，不呈现干涉 现象。 4. 微观粒子不同于经典粒子，也不同于经典波

水波干涉实验 打开两孔的效应不是单独打开每孔效应之和： I 12 ≠ I 1 ＋ I 2 ，呈现干涉现象。

电子干涉实验 电子总是像粒子一样以颗粒形式到达，但是其 到达的概率分布像波的强度分布，打开两孔的 效应不是单独打开每孔效应之和： P 12 ≠ P 1 ＋ P 2 ，呈现干涉现象。

比较：

* 微观粒子的运动具有不确定性，不遵从经典力学 方程，只能用物质波的强度作概率性描述。借用经 典物理量来描述微观客体时，必须对经典物理量的 相互关系和结合方式加以限制。其定量表达 —— 海 森伯不确定关系。 人们还在继续探索物质波的本质，但无论其物理实质 是什么，物质波的强度代表着微观粒子在空间的概率 分布已经是没有疑问的了。

§16.2 不确定关系 德国理论物理学家。他在 1925 年为量子力学的创 立作出了最早的贡献，于 26 岁时提出的不确定关 系，与玻恩的波函数统计解释共同奠定了量子力 学诠释的物理基础。为此，他于 1932 年获诺贝尔 物理学奖。 海森伯 W.K.Heisenberg

一、位置与动量的不确定关系 以电子束单缝衍射为例： 电子如何进入中央明纹区的？

位置不确定量：

考虑次级明纹 更一般的推导 位置与动量间的不确定关系：推广得 坐标的不确定量 该方向上动量分量 的不确定量

位置完全确定 动量分量完全不确定 粒子如何运动？ 动量完全确定 位置完全不确定 粒子在何处？ 物理意义： 1 ） 微观粒子运动过程中，其坐标的不确定量与该 方向上动量分量的不确定量相互制约 “ 轨道 ” 概念失去 意义

与经典描述比较（以一维运动为例） 完全 确定 确定 失去 意义 点 相格 经典描述经典描述 量子描述量子描述 状态 参量轨迹 相 空 间 状态变化 图形 线 带

物理意义： 2 ） 微观粒子永远不可能静止 —— 存在零点能， 否则， x 和 均有完全确定的值，违反不确定关系。 （热运动不可能完全停止， 0 K 不能实现） 海森伯的原理只是发出警告的路 牌： “ 普通的语言只能应用到这里为 止 ” ，当你走到原子领域时，就会遇到 麻烦。 －－－维斯科夫

练习： 解： 设光子沿 x 方向运动 由 又 求： 光子位置的不确定量 已知：