《微观粒子的运动》PPT课件

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1、第五章原子结构和元素周期律100年前的今天，正是人类揭开原子结构秘密的非常时期。我们共同来回顾19世纪末到20世纪初，科学发展史上的一系列重大的事件。1896年法国人贝克勒（Becquerel）发现铀的放射性1879年英国人克鲁科斯（Crookes）发现阴极射线1898年波兰人玛丽•居里（MarieCurie）发现钋和镭的放射性1897年英国人汤姆生（Thomson）测定电子的荷质比，发现电子1904年英国人汤姆生（Thomson）提出正电荷均匀分布的原子模型1900年德国人普朗克（Planck）提出量子论1909年美国人密立根（Millikan）用油滴实验测电子的电量1905年瑞

2、士人爱因斯坦（Einstein）提出光子论，解释光电效应1911年英国人卢瑟福（Rutherford）进行粒子散射实验，提出原子的有核模型1913年丹麦人玻尔（Bohr）提出玻尔理论，解释氢原子光谱5.1微观粒子运动的特殊性5.1.1波粒二象性1924年，法国年轻的物理学家德•布罗意（deBroglie）指出：对于光的本质的研究，人们长期以来注重其波动性而忽略其粒子性；与其相反，对于实物粒子的研究中，人们过分重视其粒子性而忽略了其波动性。德•布罗意从爱因斯坦的质能联系公式E=mc2和光子的能量公式E=h的联立出发，进行推理：因为mc2=h所以所以用p表示动量，则p=mc，故有

3、公式式子的左侧动量p是表示粒子性的物理量，而右侧波长是表示波动性的物理量。二者通过公式联系起来。德•布罗意认为具有动量p的微观粒子，其物质波的波长为，1927年，德•布罗意的预言被电子衍射实验所证实，这种物质波称为德•布罗意波。感光屏幕薄晶体片电子枪衍射环纹电子束用电子枪发射高速电子通过薄晶体片射击感光荧屏，得到明暗相间的环纹，类似于光波的衍射环纹。感光屏幕薄晶体片衍射环纹电子枪电子束研究微观粒子的运动，不能忽略其波动性。微观粒子具有波粒二象性。5.1.2不确定原理用牛顿力学研究质点运动时，由F=ma可以求出加速度a。由公式可以同时测得某一时刻t时，质点的位置，速度和动量。p=

4、m1927年，德国人海森堡（Heisenberg）提出了不确定原理。该原理指出对于具有波粒二象性的微观粒子，不能同时测准其位置和动量。用x表示位置的不确定范围，p表示动量的不确定范围，有用表示速度的不确定范围，用m表示微观粒子的质量，则有式中，h为普朗克常数，这两个式子表示了海森堡不确定原理。h＝6.62610－34J·s和例5.1核外运动的电子，其质量m=9.1110－31kg，位置的不确定范围x=10－12m。求速度的不确定范围。解：由，得所以原子半径一般以Å为单位，即其数量级为10－10米。这种精确程度并不能令人满意。因此，表示原子内部的电子的位置，粗略地

5、看应该有x=10－12米。速度的不确定范围已经达到了光速的量级，根本无法接受。何况这还是在x并不令人满意的基础上计算出来的。例5.1说明了的确不能同时测准微观粒子的位置和动量。因为所以问题的关键就在于电子的质量非常小，m=9.1110－31kg的数量级约为10－4m2•s－1，这在微观世界是很大的数字。h＝6.62610－34J·s对于质量较大的宏观物体，不确定原理没有实际意义。例如子弹，m=10g，的数量级为10－32m2•s－1h＝6.62610－34J·s可见，位置和动量的准确程度都将令人十分满意。x/m10－610－910－12/m·s－110－2610

6、－2310－20看其x和的大小5.1.3微观粒子运动的统计规律从电子枪中射出的电子，打击到屏上，无法预测其击中的位置，而是忽上忽下，忽左忽右，似乎毫无规律。这时体现出的只是它的粒子性，体现不出它的波动性。时间长了，从电子枪中射出的电子多了，屏幕上显出明暗相间的环纹，这是大量的单个电子的粒子性的统计结果。这种环纹与光波衍射的环纹一样，它体现了电子的波动性。所以说波动性是粒子性的统计结果。这种统计的结果表明，虽然不能同时测准单个电子的位置和速度，但是电子在哪个区域内出现的机会多，在哪个区域内出现的机会少，却是有一定的规律的。从电子衍射的明暗相间的环纹看，明纹就是电子出现机会多的区

7、域，而暗纹就是电子出现机会少的区域。所以说电子的运动可以用统计性的规律去研究。对微观粒子运动的特殊性的研究表明，具有波粒二象性的微观粒子的运动，遵循不确定原理，不能用牛顿力学去研究，而应该去研究微观粒子（电子）运动的统计性规律。要研究电子出现的空间区域，则要去寻找一个函数，用该函数的图象与这个空间区域建立联系。这种函数就是微观粒子运动的波函数。5.2核外电子运动状态的描述波函数的几何图象可以用来表示微观粒子活动的区域。1926年，奥地利物理学家薛定谔（Schödin