微观世界的物理学
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31
2.真空不空 什么是真空? • 日常观念:真空是一无所有的空间. • 根据由大量精确实验支持的现代物理学理 论:真空实际上具有非常丰富的物理内容,甚 至可以说, “真空是物理的全部”.
32
根据海森伯的“不确定性原理”: 在愈细微的时空中,能量的不确性愈大
在一万亿分之一米线度的真空中,存在相当于20对 正、负电子对的能量涨落,有可能“凭空”产生出20 对正、负电子对!依此类推,在更为细微的时空尺度上, 能量的涨落更大,此时还可能产生质量更大的正反粒 子对,如虚μ子对、虚π介子对、虚质子对,甚至虚夸 克对(统称为“虚粒子对”)等等.
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?
1927年德国物理学 家玻恩提出“概率假 设” :物质波(或德布罗 意波)是“概率波”
微观世界中充满了概 率性!
在电子波的干涉实验 中,每秒大约有1000 个电子穿过两条狭缝. 四幅照片嚗光时间分 别是
（a）0.1s;（b）3s; （c）20sБайду номын сангаас （d） 70s
h Ei E f
1 E 13.6 eV
n2 薛定格(Schording)方程
14
原子光谱
15
• 我们对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识.
• 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级结构,因此具有特定的光 谱(称为“特征光谱”.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,通过精密的光谱实验对 理论进行检验,提出修正.物理学家正是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.
量子物理学简介
1986年诺贝尔物 理学奖授于扫描隧道 显微镜(STM)的发明. 这种仪器可用来显示 物质表面的分子和原 子图像;可用来移动、 切割、拼装分子和原 子;可按照设计要求 将逐个原子组装成分 子,编织新材料.
这一切新成就应归 功于量子力学理论.
1
量子力学和相对论是20世纪建立和 发展起来的现代物理学的两大支柱
4
2.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:用实物粒子(如电子)做干涉衍射实验
光波波长λ≈0.5微米, 电子的德布罗意波长确λ≈万分之一微米!
1927年,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.
5
6
其后数十年间,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.可见,不仅光和电 磁场具有波粒二象性,一切实物也都具有波粒二象性.
24
25
4.扫描隧道显微镜(STM)
26
“互补原理”
物质粒子的波粒二象性;原子能级和 量子跃迁 ;量子力学的某些应用
• 波粒二象性是一个确切的实验事实,微观世界的 概率性、不确定性,以及微观粒子状态的分立性 等都起源于此.
• 按照物理学家玻尔的说法,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,是 “互补的”.他认为,只有将这些既排斥、又互补 的概念汇集在一起,才能对现象作出详尽无遗的 描述.他常借助如下例子说明他的观点:银币有正 反两面,在任何时刻我们只能看到其中一面,不能 同时看到两面;但只有当银币的正反两面都看到 后,才能说我们对此银币有了较完整的认识.
20
2.受激发射和光的放大(激光)
自发辐射(亿分之一秒) 与受激发射(光放大)
粒子数反转 红宝石激光器
21
22
23
3.固体的能带
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, 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,随后发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.
8
应用:
用X－射线或电子、原子、分子束所得到的晶 体的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构(如 原子间距及排列方式等)的信息,于是,固体和凝 聚态物理学有了实验基础,从而得到了飞速发 展,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、电子显微镜技术以及原 子显示和操纵技术等.
9
3.什么是物质波?
29
正电子与电子一样都是稳定粒子,但是一旦正电子 与电子相遇,就会同时凐灭,并转化为光子;反之,在一 定条件下,光子也能将能量注入真空,并从其中产生 正反电子对
e e 2 ; 2 e e
30
反物质
• 正电子是电子的反粒子 • 所有的粒子都存在相应的反粒子
反质子（1955）、反中子（1956）, 反氘核（一个反质子与一个反中子的组合） 反氦核（两个反质子与一个反中子的组合） • “反物质”--它们的原子由反粒子构成.
x p h
局限在愈小空间 内的微观粒子, 其能量愈大
18
三.量子力学的某些应用
1.原子光谱
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级 结构,因此具有“特征光谱”.
在天体物理学、化学、地学、材料科学等领域, 常通过光谱分析来辨认和量化物质的组分.在钢铁 和其他金属加工企业中, 光谱分析常用于检验产品
27
四.向更深度的微观领域进军 --反粒子和真空
1.反粒子—相对论和量子力学相结合的产物 理论预言: 1927年,Dirac, “相对论性量子力学方程”
电子和“反电子” e , e
28
实验验证
1932年,美国物理学家安德森将一台能捕捉微观 粒子径迹的仪器—“云室”安置在高山上.当带电粒 子进入充满蒸气的云室中时,在它经过的路经上就会 产生雾滴,并触发照相机进行拍摄.
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?
p=h/λ:
飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿 亿亿亿分子一米;
原子中电子的德布罗意波长大约是百亿 分子一米(与原子的线度相同).
7
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.
4.相对论和量子力学相结合,发现了“反粒子”;因此, 电磁场和实物粒子(如电子和正电子)可以互相转化.
5.愈细微时空中存在着愈强烈的能量涨落,真空不空. 真空中存在各种“虚粒子”的产生、凐灭和相互转化35 .
谢谢
36
人们通过20世纪最初20余年的探索 发现,不能利用牛顿力学研究原子.后来 发现这完全是因为微观粒子具有明显 的波粒二象性.人们终于醒悟到,为了将 物理学推广到微观领域,需要改变牛顿 力学中的某些“旧”观念,根据实验结 果建立新概念,并在此基础上建立一种 全新的物理理论.
1.物质波假设; 2.实验验证; 3.什么是物质波
10
二.原子能级和量子跃迁
波粒二象性的三个重要结果是:原子能量状态的“分立性”; 状态变化的“跳跃性”;位置和动量(能量)的“不确定性”.
1. 原子能级(能量的分立性) 驻波性
11
l=nλ/2, n=1,2,3,… (p= h/λ);E=hν
由于n只能取分立的值,因此原子中电子 运动的半径r、速度v,以及动量、能量等 常常只能具有分立的值.
• 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, 其后又应用于分子和原子核领域,都取得了巨大成就.
• 量子力学曾被揶喻为“儿童力学”.
16
3.不确定性
这个波包压缩到一半时,它的位 置的不确定程度减小了,但与此同 时发生的情况是:它的波长（λ） 减 小 了 , 动 量 （ p=h/λ） 增 加 了 , 因而它的动量的不确定程度增加 了!可见,由于物质粒子的波动性, 微观粒子的位置愈确定,则它的动 量(及能量)就愈不确定;反之亦然.
真空并不平静.真空中尽 管不存在“实粒子”,但仍 然可能存在各种“虚粒子” 的产生、凐灭和相互转化.
真空涨落
各种粒子的确可以 “从虚无中产生”.
33
• 以往的经典物理学所以未能揭示出真空 的这些性质,只是因为我们考察得不够细 致. • 为了揭示真空的内涵,必须在更细微的尺 度（<一万亿分之一米）,或更高的能量上 （>1GeV）进行考察.
一.物质粒子的波粒二象性 二.原子能级和量子跃迁 三.量子力学的某些应用 四.向更深度的微观领域进军—
反粒子和真空
2
一.物质粒子的波粒二象性
“波粒二象性”概念是量子力学的基础.
“量子力学”极大地拓展了人类研究、认识、应用自 然的疆域;由它孕育并获得飞速发展的现代科技极大地 改变了人们的工作和生活方式,极大地促进了人类社会 的发展.
的质量. 光谱分析也是了解太阳和遥远的恒星成
分的唯一工具.
19
量子理论的最大成 就之一是,为化学建立 了理论基础.量子力学 不仅解释了元素周期 表,而且孕育发展了化 学键理论、化学动力 学、量子化学等学科. 化学键理论的开拓者, 诺贝尔化学奖获得者 鲍林说过,“化学没有 那一部份的基本理论 是不依赖于量子原理 的”.
“量子性”; “量子态”; “量子 数”.(与宏观世界的情景截然不同)
12
原子的能级
原子中电子的驻波性引起了它的能量的分立性 （E=hν）,因此,原子中电子的可能的能量值是分立的.
1 En I n2 I=13.6eV
13
能级图
2.量子跃迁
氢原子产生辐射.
由于原子中电子能量状态 的分立性,因此原子状态的 改变必然是“跳跃式”的.
34
小结 1.为了更好地认识和利用宏观,必须深入认识和把握微 观.
2.微观粒子的最基本特性是“波粒二象性”,这是一个 确切的实验事实.微观世界的概率性、量子性、不确定 性均起源于此.
3.在波粒二象性观念上建立的“量子力学”是人们认 识微观世界的物理学.20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.
3
1.物质波假设
1921年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦,表彰他1905年提出 的光子说.
光子是构成光或电磁场的基本粒子,E=hν, p=h/λ. 光不仅具有波动性(1864),而且具有粒子性(1905) .
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.他于是想,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,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?
31
2.真空不空 什么是真空? • 日常观念:真空是一无所有的空间. • 根据由大量精确实验支持的现代物理学理 论:真空实际上具有非常丰富的物理内容,甚 至可以说, “真空是物理的全部”.
32
根据海森伯的“不确定性原理”: 在愈细微的时空中,能量的不确性愈大
在一万亿分之一米线度的真空中,存在相当于20对 正、负电子对的能量涨落,有可能“凭空”产生出20 对正、负电子对!依此类推,在更为细微的时空尺度上, 能量的涨落更大,此时还可能产生质量更大的正反粒 子对,如虚μ子对、虚π介子对、虚质子对,甚至虚夸 克对(统称为“虚粒子对”)等等.
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?
1927年德国物理学 家玻恩提出“概率假 设” :物质波(或德布罗 意波)是“概率波”
微观世界中充满了概 率性!
在电子波的干涉实验 中,每秒大约有1000 个电子穿过两条狭缝. 四幅照片嚗光时间分 别是
（a）0.1s;（b）3s; （c）20sБайду номын сангаас （d） 70s
h Ei E f
1 E 13.6 eV
n2 薛定格(Schording)方程
14
原子光谱
15
• 我们对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识.
• 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级结构,因此具有特定的光 谱(称为“特征光谱”.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,通过精密的光谱实验对 理论进行检验,提出修正.物理学家正是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.
量子物理学简介
1986年诺贝尔物 理学奖授于扫描隧道 显微镜(STM)的发明. 这种仪器可用来显示 物质表面的分子和原 子图像;可用来移动、 切割、拼装分子和原 子;可按照设计要求 将逐个原子组装成分 子,编织新材料.
这一切新成就应归 功于量子力学理论.
1
量子力学和相对论是20世纪建立和 发展起来的现代物理学的两大支柱
4
2.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:用实物粒子(如电子)做干涉衍射实验
光波波长λ≈0.5微米, 电子的德布罗意波长确λ≈万分之一微米!
1927年,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.
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其后数十年间,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.可见,不仅光和电 磁场具有波粒二象性,一切实物也都具有波粒二象性.
24
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4.扫描隧道显微镜(STM)
26
“互补原理”
物质粒子的波粒二象性;原子能级和 量子跃迁 ;量子力学的某些应用
• 波粒二象性是一个确切的实验事实,微观世界的 概率性、不确定性,以及微观粒子状态的分立性 等都起源于此.
• 按照物理学家玻尔的说法,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,是 “互补的”.他认为,只有将这些既排斥、又互补 的概念汇集在一起,才能对现象作出详尽无遗的 描述.他常借助如下例子说明他的观点:银币有正 反两面,在任何时刻我们只能看到其中一面,不能 同时看到两面;但只有当银币的正反两面都看到 后,才能说我们对此银币有了较完整的认识.
20
2.受激发射和光的放大(激光)
自发辐射(亿分之一秒) 与受激发射(光放大)
粒子数反转 红宝石激光器
21
22
23
3.固体的能带
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, 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,随后发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.
8
应用:
用X－射线或电子、原子、分子束所得到的晶 体的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构(如 原子间距及排列方式等)的信息,于是,固体和凝 聚态物理学有了实验基础,从而得到了飞速发 展,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、电子显微镜技术以及原 子显示和操纵技术等.
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3.什么是物质波?
29
正电子与电子一样都是稳定粒子,但是一旦正电子 与电子相遇,就会同时凐灭,并转化为光子;反之,在一 定条件下,光子也能将能量注入真空,并从其中产生 正反电子对
e e 2 ; 2 e e
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反物质
• 正电子是电子的反粒子 • 所有的粒子都存在相应的反粒子
反质子（1955）、反中子（1956）, 反氘核（一个反质子与一个反中子的组合） 反氦核（两个反质子与一个反中子的组合） • “反物质”--它们的原子由反粒子构成.
x p h
局限在愈小空间 内的微观粒子, 其能量愈大
18
三.量子力学的某些应用
1.原子光谱
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级 结构,因此具有“特征光谱”.
在天体物理学、化学、地学、材料科学等领域, 常通过光谱分析来辨认和量化物质的组分.在钢铁 和其他金属加工企业中, 光谱分析常用于检验产品
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四.向更深度的微观领域进军 --反粒子和真空
1.反粒子—相对论和量子力学相结合的产物 理论预言: 1927年,Dirac, “相对论性量子力学方程”
电子和“反电子” e , e
28
实验验证
1932年,美国物理学家安德森将一台能捕捉微观 粒子径迹的仪器—“云室”安置在高山上.当带电粒 子进入充满蒸气的云室中时,在它经过的路经上就会 产生雾滴,并触发照相机进行拍摄.
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?
p=h/λ:
飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿 亿亿亿分子一米;
原子中电子的德布罗意波长大约是百亿 分子一米(与原子的线度相同).
7
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.
4.相对论和量子力学相结合,发现了“反粒子”;因此, 电磁场和实物粒子(如电子和正电子)可以互相转化.
5.愈细微时空中存在着愈强烈的能量涨落,真空不空. 真空中存在各种“虚粒子”的产生、凐灭和相互转化35 .
谢谢
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人们通过20世纪最初20余年的探索 发现,不能利用牛顿力学研究原子.后来 发现这完全是因为微观粒子具有明显 的波粒二象性.人们终于醒悟到,为了将 物理学推广到微观领域,需要改变牛顿 力学中的某些“旧”观念,根据实验结 果建立新概念,并在此基础上建立一种 全新的物理理论.
1.物质波假设; 2.实验验证; 3.什么是物质波
10
二.原子能级和量子跃迁
波粒二象性的三个重要结果是:原子能量状态的“分立性”; 状态变化的“跳跃性”;位置和动量(能量)的“不确定性”.
1. 原子能级(能量的分立性) 驻波性
11
l=nλ/2, n=1,2,3,… (p= h/λ);E=hν
由于n只能取分立的值,因此原子中电子 运动的半径r、速度v,以及动量、能量等 常常只能具有分立的值.
• 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, 其后又应用于分子和原子核领域,都取得了巨大成就.
• 量子力学曾被揶喻为“儿童力学”.
16
3.不确定性
这个波包压缩到一半时,它的位 置的不确定程度减小了,但与此同 时发生的情况是:它的波长（λ） 减 小 了 , 动 量 （ p=h/λ） 增 加 了 , 因而它的动量的不确定程度增加 了!可见,由于物质粒子的波动性, 微观粒子的位置愈确定,则它的动 量(及能量)就愈不确定;反之亦然.
真空并不平静.真空中尽 管不存在“实粒子”,但仍 然可能存在各种“虚粒子” 的产生、凐灭和相互转化.
真空涨落
各种粒子的确可以 “从虚无中产生”.
33
• 以往的经典物理学所以未能揭示出真空 的这些性质,只是因为我们考察得不够细 致. • 为了揭示真空的内涵,必须在更细微的尺 度（<一万亿分之一米）,或更高的能量上 （>1GeV）进行考察.
一.物质粒子的波粒二象性 二.原子能级和量子跃迁 三.量子力学的某些应用 四.向更深度的微观领域进军—
反粒子和真空
2
一.物质粒子的波粒二象性
“波粒二象性”概念是量子力学的基础.
“量子力学”极大地拓展了人类研究、认识、应用自 然的疆域;由它孕育并获得飞速发展的现代科技极大地 改变了人们的工作和生活方式,极大地促进了人类社会 的发展.
的质量. 光谱分析也是了解太阳和遥远的恒星成
分的唯一工具.
19
量子理论的最大成 就之一是,为化学建立 了理论基础.量子力学 不仅解释了元素周期 表,而且孕育发展了化 学键理论、化学动力 学、量子化学等学科. 化学键理论的开拓者, 诺贝尔化学奖获得者 鲍林说过,“化学没有 那一部份的基本理论 是不依赖于量子原理 的”.
“量子性”; “量子态”; “量子 数”.(与宏观世界的情景截然不同)
12
原子的能级
原子中电子的驻波性引起了它的能量的分立性 （E=hν）,因此,原子中电子的可能的能量值是分立的.
1 En I n2 I=13.6eV
13
能级图
2.量子跃迁
氢原子产生辐射.
由于原子中电子能量状态 的分立性,因此原子状态的 改变必然是“跳跃式”的.
34
小结 1.为了更好地认识和利用宏观,必须深入认识和把握微 观.
2.微观粒子的最基本特性是“波粒二象性”,这是一个 确切的实验事实.微观世界的概率性、量子性、不确定 性均起源于此.
3.在波粒二象性观念上建立的“量子力学”是人们认 识微观世界的物理学.20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.
3
1.物质波假设
1921年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦,表彰他1905年提出 的光子说.
光子是构成光或电磁场的基本粒子,E=hν, p=h/λ. 光不仅具有波动性(1864),而且具有粒子性(1905) .
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.他于是想,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,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?