第五節(jié)、不確定關(guān)系,一、德布羅意波的統(tǒng)計(jì)解釋,1926年，德國(guó)物理學(xué)玻恩 (Born , 1882-1972) 提出了概率波，認(rèn)為個(gè)別微觀粒子在何處出現(xiàn)有一定的偶然性，但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,玻恩(M. Born. 1882-1970)德國(guó)物理 學(xué)家。1926年提出波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)意義。為此與博波(W.W.G Bothe. 1891-1957)共享1954年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,玻 恩,M. Born.,二.經(jīng)典波動(dòng)與德布羅意波(物質(zhì)波)的區(qū)別,經(jīng)典的波動(dòng)(如機(jī)械波、電磁波等)是可以測(cè)出的、實(shí)際存在于空間的一種波動(dòng)。 而德布羅意波(物質(zhì)波)是一種概率波。簡(jiǎn)單的說，是為了描述微觀粒子的波動(dòng)性而引入的一種方法。,不確定度關(guān)系（uncertainty relatoin),在經(jīng)典力學(xué)中，粒子（質(zhì)點(diǎn)）的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用位置坐標(biāo)和動(dòng)量來描述，而且這兩個(gè)量都 可以同時(shí)準(zhǔn)確地予以測(cè)定。然而，對(duì)于具有二象性的微觀粒子來說，是否也能用確定的坐標(biāo)和確定的動(dòng)量來描述呢？下面我們以電子通過單縫衍射為例來進(jìn)行討論。 設(shè)有一束電子沿 軸射向屏AB上縫寬為 的狹縫，于是，在照相底片CD上，可以觀察到如下圖所示的衍射圖樣。如果我們?nèi)杂米鴺?biāo) 和動(dòng)量 來描述這一電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么，我們不禁要問：一個(gè)電子通過狹縫的瞬時(shí)，它是從縫上哪一點(diǎn)通過的呢?也就是說，電子通過狹縫的瞬時(shí)，其坐標(biāo) 為多少?顯然，這一問題，我們無法準(zhǔn)確地回答，因?yàn)榇藭r(shí)該電子究竟在縫上哪一點(diǎn)通過是無法確定的，即我們不能準(zhǔn)確地確定該電子通過狹縫時(shí)的坐標(biāo)。,同一時(shí)刻，由于衍射效應(yīng)，粒子的速度方向有了改變，縫越小，動(dòng)量的分量 Px變化越大。,分析計(jì)算可得:,許多相同粒子在相同條件下實(shí)驗(yàn),粒子在同一時(shí)刻 并不處在同一位置。,用單個(gè)粒子重復(fù),粒子也不在同一位置出現(xiàn)。,不確定性關(guān)系,經(jīng)嚴(yán)格證明應(yīng)為：,這就是著名的海森伯測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系式,（約化普朗克常量）,能量與時(shí)間的不確定關(guān)系：,原子在激發(fā)態(tài)的平均壽命 相應(yīng)地所處能級(jí)的能量值一定有一不確定量。,稱為激發(fā)態(tài)的能級(jí)寬度。,我們知道，原子核的數(shù)量級(jí)為10-15m，所以，子彈位置的不確定范圍是微不足道的?？梢娮訌椀膭?dòng)量和位置都能精確地確定，不確定關(guān)系對(duì)宏觀物體來說沒有實(shí)際意義。,例1.一顆質(zhì)量為10g 的子彈，具有200ms-1的速率， 若其動(dòng)量的不確定范圍為動(dòng)量的0. 01%(這在宏觀范圍是十分精確的了)，則該子彈位置的不確定量范圍為多大?,解: 子彈的動(dòng)量,動(dòng)量的不確定范圍,由不確定關(guān)系式(17-17)，得子彈位置的不確定范圍,我們知道原子大小的數(shù)量級(jí)為10-10m，電子則更小。在這種情況下，電子位置的不確定范圍比原子的大小還要大幾億倍，可見企圖精確地確定電子的位置和動(dòng)量已是沒有實(shí)際意義。,例2. 一電子具有200 m/s的速率，動(dòng)量的不確定 范圍為動(dòng)量的0. 01%(這已經(jīng)足夠精確了)，則該電子的位置不確定范圍有多大?,解: 電子的動(dòng)量為,動(dòng)量的不確定范圍,由不確定關(guān)系式，得電子位置的不確定范圍,宏觀物體 微觀粒子 具有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 沒有確定的坐標(biāo)和動(dòng)量 可用牛頓力學(xué)描述。 需用量子力學(xué)描述。 有連續(xù)可測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌道，可 有概率分布特性，不可能分辨 追蹤各個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。 出各個(gè)粒子的軌跡。 體系能量可以為任意的、連 能量量子化 。 續(xù)變化的數(shù)值。 不確定度關(guān)系無實(shí)際意義 遵循不確定度關(guān)系,微觀粒子和宏觀物體的特性對(duì)比,不確定關(guān)系式表明： 微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)得愈準(zhǔn)確( x0) ，動(dòng)量就愈不準(zhǔn)確(px) ； 微觀粒子的動(dòng)量測(cè)得愈準(zhǔn)確(px0) ，坐標(biāo)就愈不準(zhǔn)確( x) 。 但這里要注意，不確定關(guān)系 不是說微觀粒子的坐標(biāo)測(cè)不準(zhǔn)； 也不是說微觀粒子的動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)； 更不是說微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量都測(cè)不準(zhǔn)； 而是說微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)。,這是因?yàn)槲⒂^粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量本來就不同時(shí)具有確定量。 這本質(zhì)上是微觀粒子具有波粒二象性的必然反映。 由上討論可知，不確定關(guān)系是自然界的一條客觀規(guī)律,不是測(cè)量技術(shù)和主觀能力的問題。 不確定關(guān)系提供了一個(gè)判據(jù)： 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制可以忽略時(shí)，則可以用經(jīng)典理論來研究粒子的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)不確定關(guān)系施加的限制不可以忽略時(shí)，那只能用量子力學(xué)理論來處理問題。,為什么微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)準(zhǔn)?,