在经典力学中,一个粒子(质点)的运动状态是用位置(坐标)和速度(动量)来描述的,因而质点的运动也就有一定的轨道.但对微观粒子,由于具有波粒二象性,它的空间位置需要用概率波来描述,而概率波只能给出粒子在各处出现的概率,因此任意时刻粒子不具有确定的位置.与此相联系,粒子在各时刻也不具有确定的动量.粒子在某一方向(x轴方向)上位置的不确定量 Δ x 和在该方向上动量的不确定量 Δ pₓ 的关系为
Δ x Δ p _ x ≥slant h这种关系称为海森伯不确定关系.量子力学认为,这种位置和动量的不能同时测定性,不是由仪器和测量方法引起的,而完全是由微观粒子的波粒二象性造成的.如果仍然使用坐标和动量来描述微观粒子的运动,则必然存在这种不确定性.下面以光 (或电子) 的单缝衍射为例来说明这一关系. 图 15.16 所示为一束波长为 λ 的单色光沿 y 轴方向入射到缝宽为 Δ x 的单缝上,通过缝后在屏幕上观测到衍射条纹。对于一个光子来说,不能确切地说它从缝中哪一点通过,只能说它是从宽为 Δ x 的缝中通过的,因此它在 x 轴方向上位置的不确定量为 Δ x 。通过缝后,在 x 轴方向上的动量 pₓ 的大小不为零,衍射条纹表明,如果 pₓ 的大小为零,则只能观测到与缝同宽的一条明纹,而实际衍射条纹比缝宽大得多。这里只考虑中央明纹的宽度,则对于其半角宽 φ (第 1 级暗纹的衍射角),根据单缝衍射公式,有
Δ x sin φ = λ对应于该衍射方向,光子在 x 轴方向上的动量大小为 pₓ = psin φ 。所以, pₓ 的不确定量 Δ pₓ ≈ pₓ = psin φ ,故
Δ p _ x = p frac λΔ x
再利用德布罗意公式 λ = h/p ,可得
Δ x Δ p _ x ≈ h考虑一级以上的条纹,则得
Δ x Δ p _ x ≥slant h量子力学给出的结果为
Δ x Δ p _ x ≥slant frac hbar2式中
hbar = frac h2 π = 1. 0 5 4 5 8 8 7 × 1 0 ^ - 3 4 J · s称为约化普朗克常量. 由于实际上此公式通常只用于数量级的估计,因此又常简写为
Δ x Δ p _ x ≥slant hbar (15.23)同理可得
Δ y Δ p _ y ≥slant frac hbar2 Δ z Δ p _ z ≥slant frac hbar2这就是说,坐标(位置)越准确,动量就越不准确;动量越准确,坐标就越不准确.这和衍射实验的结果一致,单缝宽 Δ x 越小,衍射条纹越宽,即 Δ pₓ 越大. 可以证明,能量和时间也有类似的不确定关系
Δ E Δ t ≥slant frac hbar2 (15.24)式中, Δ E 是系统能量的不确定量, Δ t 是时间的不确定量。下面用一特例说明上式。设一质量为 m 的粒子以速率 v 做直线运动,其动能为
E = frac 12 m v ^ 2 = frac p ^ 22 m将上式两端取微分,得
Δ E = frac pm Δ p = frac m vm Δ p = v Δ p另外, x = vt ,则有 Δ x = vΔ t ,利用式(15.23)有
Δ x Δ p _ x = frac Δ Ev v Δ t = Δ E Δ t ≥slant hbar原子处于某激发能级的平均时间称为平均寿命,用 τ 表示.利用能量和时间的不确定关系,可见能级宽度 Δ E 与它的平均寿命 τ 成反比,能级寿命越短,能级宽度越宽,反之越窄.
原子的线度为 10⁻10 m,求原子中电子速度的不确定量.
解
“电子在原子中” 就意味着电子位置的不确定量为 Δ x = 10⁻10 m. 根据不确定关系,可得
r l Δ v _ x & = frac hbarm Δ x = frac 1 . 0 5 × 1 0 ^ - 3 49 . 1 1 × 1 0 ^ - 3 1 × 1 0 ^ - 1 0 m/s & = 1. 2 × 1 0 ^ 6 m/s按玻尔理论算得氢原子中电子的运动速度约为 10⁶ m/s ,它与上面计算的速度不确定量同数量级。因此对于原子中的电子,讨论它的轨道与速度是没有实际意义的。
假定原子中的电子在某激发态的平均寿命 τ = 10⁻8 s,该激发态的能级宽度是多少?
| 解 | Δ E ≥slant (hbar)/(τ) = frac1.05 × 10⁻3410⁻8 J = 1.05 × 10⁻26 J = 6.56 × 10⁻8 eV | 当原子从激发态向基态跃迁时,由于能级有一定的宽度,故光谱线也有一定的宽度,称为自然宽度.反过来,根据谱线的自然宽度,可以确定原子在激发态的平均寿命. |
一维运动的粒子被限制在宽为 a 的范围内运动,应用不确定关系估计质量为 m 的粒子的零点能(即最小能量).
解
位置的不确定量为 Δ x = a ,则动量的最小不确定量为 所以最小能量为
Δ p _ x = frac hbaraE = frac p _ x ^ 22 m = frac Δ p _ x ^ 22 m = frac hbar^ 22 m a ^ 2这便是零点能.
氦氖激光器发出波长 λ = 632.8 nm 的光,谱线宽度 Δλ = 10⁻9 nm ,求这种光子沿 x 轴方向传播时,它的 x 轴坐标的不确定量。
解
根据德布罗意公式 pₓ = (h)/(λ),对等式两边微分并只取其绝对值,得
Δ p _ x = frac hλ^ 2 Δ λ这就是光学中的相干长度,即波列的长度.将 λ 、 Δλ 的数值代入,可得 根据不确定关系,可得
Δ x = frac hbarΔ p _ x = frac λ^ 22 π Δ λ ≈ frac λ^ 2Δ λr l Δ x & ≈ frac λ^ 2Δ λ = frac (6 3 2 8 × 1 0 ^ - 1 0) ^ 21 0 ^ - 9 × 1 0 ^ - 9 m & = 4 × 1 0 ^ 5 m = 4 0 0 km