波函数的统计诠释的概念
量子力学讲义chapter2波函数的统计解释培训讲学
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• 将势场曲线正题右移a,波函数和能级怎么变?
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一维方势阱偶宇称能谱图
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一维方势阱奇宇称能谱图
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具有不同的深度 但是宽度相同的方势阱(1)
nxNne1 22x2Hnx
Nnቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1/22n
1/2 n!
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§2.5 一维谐振子
产生湮灭算符
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§2.5 一维谐振子
➢思考题: • 半壁振子(两种情况)(图)(暂缺)
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§2.5 一维谐振子
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§2.1 波函数的统计解释
➢粒子性 颗粒性(V) 轨道(X)
➢波动性 物理量周期分布(V and X) 将”粒子分布”视为物理量 叠加性->干涉,衍射(V)
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15-7波函数 玻恩统计解释
为了区别于经典波动，将上式写成：
( x, t ) 0e
i 2 (t x )
i (Et px)
0e
ψ0 e
第十五章
量子物理
1
物理学
第五版
15-7波函数 波函数物理意义
பைடு நூலகம்
玻恩统计解释
物质波与光波的对比
（波动观点） （微粒观点）
光波振幅平方大 光强大 光子在该处出现 的概率大
物理学
第五版
15-7波函数
玻恩统计解释
一、波函数（描写物质波的函数） 自由粒子的波函数 由波动理论，沿x轴传播的平面波波动方程：
y( x, t ) A cos 2 (t x )
y( x , t ) Ae
i 2 (t x )
只取实部
i 2 ( Et px ) h
2 2 势场中的一维运动粒子 E p i 2 2m x t
第十五章 量子物理
6
粒子在该处出现的 （微粒观点） 概率大 在空间某点波函数的平方和粒子在该点出现的 概率成正比. —玻恩统计解释.
第十五章 量子物理
2
物质波的 强度大
波函数振幅的平方大 （波动观点） | |2= *
物理学
第五版
15-7波函数
玻恩统计解释
物质波与经典波的本质区别
物质波是复函数，本身无具体的物理意义，
玻恩统计解释
一维自由粒子薛定谔方程 自由粒子波函数:
( x , t ) 0e
i ( Et px )
2 p2 2 2 x
非相对论粒子:
i E t
p2 E 2m
量子力学课件-波函数的统计解释
微观粒子的波-粒二象性如何理解? 微观粒子的波-粒二象性如何理解? 1.所谓的“粒子性” 是指粒子有一 1.所谓的“粒子性”, 是指粒子有一 所谓的 定质量、电荷等“颗粒性”的属性; 定质量、电荷等“颗粒性”的属性;
2.所谓的“波动性 是指粒子能发 2.所谓的“波动性”, 是指粒子能发 所谓的 生干涉、衍射现象；更深刻地说， 生干涉、衍射现象；更深刻地说， 波动性是微观粒子运动的统计规律 波动性是微观粒子运动的统计规律 的表现形式
nπ (x − a) A sin ψ 1( x) = 2a 0 nπ (x + a) A sin ψ 2 ( x) = 2a 0
请 问 ： I 、 波 函 数 ψ 1 ( x ) 和 ψ 2 ( x )是 否 等 价 ？ II 、 对 ψ 1 ( x ) 取 n = ± 2 两 种 情 况 ， 得 到 的 两 个 波函数是否等价？
ψ 1 = e i2x /h , ψ 4 = −e i2x/h ,
ψ 2 = e −i2 x /h , ψ 5 = 3e − i ( 2 x + π h ) / h ,
ψ 3 = e i3x /h , ψ 6 = ( 4 + 2 i )e i 2 / h .
(2)
已知下列两个波函数： | x |≤ a | x |> a | x |≤ a | x |> a n = 1, 2, 3, L n = 1, 2, 3, L
1, 1.∫∞ C|Ψ(r,t)|2 dτ= 1, 归一化条件或平方可积条件. 此式称为波函数的归一化条件或平方可积条件 此式称为波函数的归一化条件或平方可积条件. |Ψ(r， dτ,（ 归一化常数， C=1/∫∞ |Ψ(r，t)|2 dτ,（C）1/2归一化常数， Ψ(r,t)叫归一化波函数。 （C）1/2 Ψ(r,t)叫归一化波函数。 2.ω( r, t ) = C |Ψ (r,t)|2 为几率密度。
波函数的统计诠释
波函數的統計詮釋現在，讓我們回頭再來看薛丁格的波動力學。
其實，當時在波動力學中還存在一個懸而未決的大問題，這就是波動方程式中包含的波函數ψ的物理意義究竟是什麼。
最初，薛丁格認為ψ函數負數模的平方式電荷的密度，這就好像電子分解成電子雲似的。
但是，哥本哈根的物理學家們並沒有像接受薛丁格的理論那樣給以讚賞。
與之相反，薛丁格對波函數的解釋遭到波耳的批評和反對。
波耳邀請薛丁個到家中討論這個問題，最後，兩人馬拉松式的討論竟把薛丁格累得病倒在波耳家中。
然而，主人卻堅持在床頭繼續與薛丁格討論。
波耳既善良熱情又很有涵養，可是在及其重要的物理學問題面前，他實在難以抑制激情。
1926年，玻恩把薛丁格波動方程用於量子力學散射過程，從而提出了波函數的統計詮釋（statistical interpretation）。
玻恩是當時享有盛名的物理學家，他1882年12月11日生於普魯士，1907年獲哥廷根大學博士學位，1921年起任該校物理系主任。
玻恩不但個人成就卓越，對學生和晚輩的提攜更是不遺餘力，海森伯、泡利等人都曾是他的研究助手。
希特勒上台後，玻恩被迫流亡英國，先後在劍橋大學和愛丁堡大學任教。
1953年退休後，波恩回到了德國，直到1970年1月5日逝世。
玻恩在1926年發表的一篇論文中指出，薛丁格波函數是一種機率振幅（probability amplitude），它的絕對值的平方對應於測量到的電子的機率分佈。
直到這時，波函數的物理含意才變得明確了。
不過，一個力學理論竟然給出了機率，這簡直是太令人震驚了！在電子的繞射圖中，底片上暗環實際上就是許多電子集中到達的地方，亮環處就是電子幾乎沒有到達過的位置。
按繞射環的半徑統計出每個環中電子留下的黑斑數目，物理學家馬上就發現，以環的半徑為橫座標、相應半徑的黑斑數為縱座標作的圖，其形狀與光以及X射線繞射的密度分佈曲線相同。
這是偶然的巧合，還是另有什麼深刻的含意呢？由於這一分佈曲線也呈波的形狀，而且對應的是電子射中底片某點的機率，玻恩建議把這種波命名為機率波。
波函数及其统计解释
在实验中可以控制电子枪的电压，使发出的电子束的 强度十分微弱，以至电子是一个一个通过。假如时间不 长，则落在屏幕上的是一个个的点，而不是扩散开的衍 射图案。就这个意义而言，电子是粒子而不是扩展开的 波。
但时间一长，则感光点在屏幕上的分布显示衍射图样， 与强度较大的电子束在较短时间内得到的图样相同。可 以认为：尽管不能确定一个电子一定到达照相底片的什 么地方，但它到达衍射图样极大值的几率必定较大，而 到达衍射图样极小值的地方的几率必定较小，甚至为零。
在量子物理中，却将这种波方程的复数表示借用过来， 并不再取它的实部，而赋予它新的物理意义。即 用它表示微观客体的波粒子二象性，它就是波函数。
在量子力学中，粒子的状态用波函数来描写，根据薛 定谔方程得出波函数的变化规律。如果已知波函数，则 可由它求出所有描述粒子状态的物理量。
在量子物理中，波函数常用ψ(x,y,z,t)表示，它的最简 单的一个表示式为
3.3 波函数及其统计解释
一、波函数 二、波函数的统计解释 三、波函数的标准条件和归一化
一、波函数
在经典力学中，我们只要知道了质点的运动 方程及其初始条件，就可以知道它的确切位置 和动量。这种方法在宏观世界取得很大的成功， 但不能适用于具有波粒二象性的微观粒子。
量子力学原理之一：微观粒子的状态可用 波函数来描述。
在经典物理中，为了计算方便，常将波方程表示成 复数，如单色平面波
y( x, t) Acos(t kx)
表示为Y ( x, t ) Aei(tkx)
显然，y（x，t）等于Y（x，t）的实部，这样计算时 用Y（x，t），算完后再取它的实部，这样做在经典物 理中是为了计算的方便，在物理学中并无新意。
12-4 12-5物质波及其统计诠释,波函数
质子、中子、原子、分子…也有波动性
9
1993年美国科 学家移动铁原 子，铁原子距 离0.9纳米
“量子围栏”
48个铁原子排列在 铜表面
证明电子的波动性
10
波粒二象性是普遍的结论
宏观粒子也具有波动性
m大
0
例：m = 0.01kg v = 300m/s 的子弹
h h 6.63 1034 2.21 10 m P m 0.01 300
( x, t ) ( x )e
i Et
, ( x ) Ae （空间因子）
33
i px
自由粒子波函数：
( x ) Ae
三维：
( r ) Ae
2 2
i px
p>0：向右
p<0：向左
i p r
概率密度： A const.
空间位置完全不确定，动量取确定值
分析: 原子线度 r ∼ 10 -10 m 若电子Ek = 10eV 则
由不确定关系有 ΔP 2Δr
2E 6 10 m /s m
ΔP Δ 6 105 m/s m 2m Δr
轨道概念不适用! 代之以电子云概念
24
在宏观现象中，不确定度关系可以忽略。
p const.
【思考】自由粒子波函数能归一化吗？
34
5、状态叠加原理 量子力学要求：若体系具有一系列互异的可 能状态 1，2 ，则它们的线性组合
C n n
也是该体系的一个可能的状态。展开系数Cn 为 任意复常数。
若叠加中各状态间的差异无穷小， 则应该用 积分代替求和： C d
波函数及其统计解释
动量分布概率（1）
设子设有平出 动 面pr现 量波 px在的ixip点波的y函pjr概y数j附z率k为近p如，zk的何则为概表(|粒r率示)(子r。？) 的|2eip动|r /量(x,，y, z那) |2么表粒示子粒具
任意粒子的波函数可以按此平面波做傅立叶展开
(r )
1
(2)3
2
( p)eipr / d 3 p
*
(
p)
p
(
p)d
3
p
p
*
(r )
pˆ
(r )d
3r
,
pˆ
力学量用算符表示
A
*
(r )
Aˆ
(r )d
3r
20
三、力学量用算符表示(5)
力学量 A 的平均值为
A
*
(r )
Aˆ
(r )d
3r
其 问中 题，：Aˆ坐为标力r学的量平A均的值算符r 。
*
(r )r
(r )d
该如何理解波函数的物理意义？为此，人们
提出了波函数的统计诠释来作为对波函数物
理意义的一种理解。
4
量子力学的基本假定之一
基本假定Ⅰ：波函数假定 微观粒子的状态可以被一个波函数完全 描述，从这个波函数可以得出体系的所 有性质。波函数一般满足连续性、有限 性和单值性三个条件。 说明：波函数一般是粒子坐标和时间的 复函数，波函数的模方代表粒子空间分 布的概率密度。
量子力学
波函数及其统计解释 粒子的动量分布 不确定度关系——进一步讨论
1
简短回顾
1、自由粒子的波函数 既然粒子具有波动性，那么就应该用一
个反映波动的函数来加以描述。 由平面波公式 Asin(kxt)
15.3 波函数及其统计解释
a 求：(1)常数A；(2)粒子在0到a/2区域内出现的概率；(3)粒
子在何处出现的概率最大？
解：(1)由归一化条件
x A sin
x
2
dx A
2
sin
0
a
2
x
a
dx 1
2 a
8
解得
a 2 A 1 2
A
大学物理 第一版
15.3 波函数及其统计解释
(2)粒子的概率密度为
5
大学物理 第一版
15.3 波函数及其统计解释
某一时刻整个空间内发现粒子的概率为
归一化条件
标准条件
Ψ
2
dV 1 (束缚态)
波函数必须是单值、连续、有限的函数.
6
大学物理 第一版
15.3 波函数及其统计解释
归一化条件：在任何时刻，某粒子必然出现在整个空间内， 它不是在这里就是在那里，所以总的概率为1，即
x E ( x,t ) E0 cos 2π(t )
x
)
H ( x,t ) H 0 cos 2π(t )
经典波为实函数
y( x,t ) Re[ Ae
x i 2 π (t )
]
2
大学物理 第一版
15.3 波函数及其统计解释
(2)量子力学波函数(复函数)
描述微观粒子运动的波函数 Ψ ( x,y,z,t )
i
2π ( Et px ) h
2 波函数的统计意义 概率密度 表示在某处单位体积内粒子 出现的概率
Ψ *
2
正实数
4
大学物理 第一版
15.3 波函数及其统计解释
第2讲波函数的统计诠释态叠加原理
第2讲波函数的统计诠释态叠加原理教学时数:2学时教学内容:1、波函数的统计诠释 2、态叠加原理备注教学目的:掌握波函数的统计诠释和态叠加原理教学重点:1、波函数的统计诠释 2、态叠加原理教学难点:对微观客体的描述教学手段、方法:讲授、讨论教学基本内容?1 波函数的统计解释1、波函数如果粒子处于随时间和位置变化的力场中运动，他的动量和能量不再是常量(或不同时为常量)粒子的状态就不能用平面波描写，而必须用较复杂的波描写，一般记为:,描写粒子状态的波函数，它通常是一个复函数。
,(r,t)问题: (1) , 是怎样描述粒子的状态呢,(2) , 如何体现波粒二象性的,(3) , 描写的是什么样的波呢,2、波函数的解释PPPPOOOOO电子源电子源电子源感感感感 QQQQ光光光光屏屏屏屏(1)两种错误的看法a. 波由粒子组成:如水波，声波，由分子密度疏密变化而形成的一种分布。
这种看法是与实验矛盾的，它不能解释长时间单个电子衍射实验。
电子一个一个的通过小孔，但只要时间足够长，底片上增加呈现出衍射花纹。
这说明电子的波动性并不是许多电子在空间聚集在一起时才有的现象，单个电子就具有波动性。
事实上，正是由于单个电子具有波动性，才能理解氢原子(只含一个电子～)中电子运动的稳定性以及能量量子化这样一些量子现象。
波由粒子组成的看法夸大了粒子性的一面，而抹杀了粒子的波动性的一面，具有片面性。
第2讲波函数的统计诠释态叠加原理基本教学内容备注 b. 粒子由波组成:电子是波包。
把电子波看成是电子的某种实际结构，是三维空间中连续分布的某种物质波包。
因此呈现出干涉和衍射等波动现象。
波包的大小即电子的大小，波包的群速度即电子的运动速度。
什么是波包,波包是各种波数(长)平面波的迭加。
平面波描写自由粒子，其特点是充满整个空间，这是因为平面波振幅与位置无关。
如果粒子由波组成，那么自由粒子将充满整个空间，这是没有意义的，与实验事实相矛盾。
实验上观测到的电子，总是处于一个小区域内。
3波函数的统计解释
ψ ′ dτ
2
归一化后波函数
2
ψ=
ψ′
c
=
ψ′
∫
∞
ψ ′ dτ
2
1/ c = 1/ ∫ ψ ′ dτ 称为归一化因子。 称为归一化因子。 ∞
概率密度
w=ψ =
2
ψ′
2 2
∫
∞
ψ ′ dτ
四、波函数的性质
一般是复数（以后证明）， ），不表示任何真实物 1．波函数ψ ( r , t ) 一般是复数（以后证明），不表示任何真实物 2 理量。 处的概率密度。 理量。 ψ 表示 t 时刻粒子出现在 r 处的概率密度。
子弹实验： 子弹实验：
水面波实验： 水面波实验：
光波实验： 光波实验：
电子实验： 电子实验：
双缝实验
通过晶体衍射
光衍射与电子衍射的对比 光栅衍射 电子衍射
I ∝ E 02
I = Nhν ∝ N
I大处 I小处 I=0
到达光子数多 到达光子数少 无光子到达
I ∝| ψ |
2
I∝N
电子到达该处概率大 电子到达该处概率小 电子到达该处概率为零 各电子路径、 各电子路径、终点均不确定
ψ 描写同一状态。 2． 2 (r , t ) = Aψ 1 (r , t ) A 是常数）与 ψ 1 (r , t ) 描写同一状态。 （ 是常数）
都没有归一化， 如果ψ 1 (r , t )和 ψ 2 (r , t ) 都没有归一化，则
w2 (r , t ) =
ψ 2 (r , t )
2
∫ψ
2
(r , t ) dτ
2
=
A ψ 1 (r , t ) 2
2
A
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波函数的统计诠释的概念
波函数的统计诠释是量子力学中描述微观粒子行为的一种理论解释。
波函数是量子力学中的基本概念，它可以描述粒子的位置、动量以及相应的概率分布。
波函数的统计诠释是指通过波函数的模的平方来描述粒子在不同位置的概率分布，而不是用经典物理学中的确定性描述。
在经典物理学中，我们可以用牛顿运动定律来描述物体的运动规律，而量子力学中的波函数则描述了微观粒子的运动规律。
波函数的统计诠释认为，粒子的物理状态在某一给定时刻是不确定的，而只能用概率来描述。
通常情况下，粒子的运动状态由波函数表示，波函数的平方的绝对值表示了粒子在不同位置上的概率。
波函数的统计诠释最早由德国物理学家马克斯·玻恩（Max Born）于1926年提出。
他通过研究波动方程和波函数的性质，得出了波函数的平方表示了测量粒子位置的概率密度。
根据这一理论，波函数的平方的绝对值越大，粒子在该位置出现的概率就越大。
这就解释了为什么在双缝干涉实验中，粒子在干涉条纹上的概率更大，而在暗区的概率很小。
波函数的统计诠释揭示了微观粒子行为的非经典性质。
在经典物理学中，粒子的位置和动量是可以同时确定的，而量子力学中却存在不确定原理的限制，即海森堡不确定性原理。
根据不确定性原理，我们无法完全确定粒子的位置和动量，只能得到它们的概率分布。
这就意味着，我们无法预测粒子在某一时刻的确切位置和动量，只能通过波函数的统计诠释来获得它们的概率分布。
波函数的统计诠释也带来了量子纠缠和量子隐形传态等奇特现象。
由于波函数的统计诠释，当两个或多个粒子处于量子纠缠态时，它们之间的相互作用会导致它们的状态处于相关的状态。
这就意味着，当我们测量其中一个粒子的状态时，另一个粒子的状态也会瞬间塌缩到与之相关的状态上。
这种现象违反了经典物理学中的因果关系，被称为“量子非局域性”。
波函数的统计诠释还揭示了量子测量的本质。
根据量子测量原理，当我们对粒子的某一物理量进行测量时，其波函数将塌缩到与测量结果相对应的本征态上。
这就意味着，测量结果是随机的，我们无法预测具体的测量结果。
量子测量的不确定性体现了波函数的统计诠释的本质，即粒子的物理状态在测量之前是不确定的，只有通过测量才能获得确切的结果。
总之，波函数的统计诠释是量子力学中对微观粒子行为的一种解释。
它认为粒子的物理状态由波函数来描述，并通过波函数的模的平方来表示粒子在不同位置的概率分布。
波函数的统计诠释揭示了量子力学的非经典性质，包括不确定性原理、量子纠缠和量子测量等。
这些非经典性质使得量子力学与经典物理学有着本质的差异，为人们对微观世界的认识带来了深刻的变化。