费曼物理学讲义(第三卷) 化,我们仍然令φ代表电子通过小孔1到达的振幅,即 中1=<x|1<1s 同样,我们令φ代表电子经小孔2到达探测器的振幅, 中2=〈叫2)(2| 这些是没有光时通过两个小孔到达w的振幅.现在如果有了光,我们要问自己:电子从8出 发,光子从光源发出,最后电子到达c而光子在狭缝1后面被观察到,这一个过程的振幅 是什么?假定我们用一个探测器D2来观察狭缝1后面的光子,如图3-3所示,并用一个同 样的探测器D来对小孔2后面被散射的光子计数,对于一个光子到达D2以及一个电子到 达c的情形,将有一个振幅.对于一个光子到达D2以及一个电子到达m的情形,也将有一 个振幅.让我们来计算这两个振幅 虽然我们对计算中所遇到的所有因子还没有正确的数学公式,但通过下面的讨论,你们 可以体会出它的精神.首先,电子从电子源跑到小孔1有一个振幅<1|s>.其次,我们可以 假设电子在小孔1附近把一个光子散射到探测器D1中也有一定的振幅,我们用a来表示 这个振蝠.再有,电子从狭缝1跑到位于c的电子探测器具有振帽<1.于是,电子从 通过狭缝1跑到m并把一个光子散射到D1里面的振幅是 叫|1a<1|s>. 或者用我们以前用过的符号来表示,它就是a1 通过狭缝2的电子将一个光子散射到D1中去的情形也具有某个振蝠.你们要说:“这 是不可能的,如果探测器Dx只是观测小孔1,光子怎么会散射到D2中去呢?如果波长足 够长就有衍射效应,那就背定可能.如果仪器做得很好,面且我们用的是短波长的光子那 么光子被通过小孔2的电子散射到探测器1中去的振幅是非常小的。但是为使讨论具有普 遍性,我们应该考虑到总有一些这种振幅存在我们称它为b.于是,一个电子通过狭缝2并 且把一个光子散射到D2中去的振幅是; l2》b<2|8-b2 在位置找到电子并在D4中发现光子的振幅是上面两项之和每一项分别对应于电子 的一条可能的路线,每一项又由两个因子构成.第一,电子通过一个小孔第二光子被散 射到探测器1中我们有 电子到a电子从发出 光子到D2光子从发出响+b 对于在另一个探测器D2中发现光子的情况,我们可得到类似的表达式.为简单起见, 假设系统是对称的那么a也就是电子通过小孔2时把光子散射到D2中的振幅,b是电子 通过小孔1时把光子散射到D2中的振幅,相应的光子进入D2而电子到a的总几率是: /电子到a|电子从发出)-a+b 子到D2光子从L发出 现在我们达到了目的我们可容易地算出不同状态的几率,假定我们想知道在D1中记 下数而同时在a处收到一个电子的几率,这就是式(38)所给出的振幅的绝对值的平方, 即φ1+砂2}.让我们更仔细地研究一下这个表达式.首先,如果b等于零—这是我们 设计仪器时所希望的——答案就是|中1乘以|叫!·,即缩小了因子|a|2这就是如果只有 个小孔时所应当得到的几率分布——如图3-4(a)的曲线所示,另、方面,如果波长很长
第3章几振幅 光子从小孔2后面散射到D2中的振幅可能正好和从小孔1散射的情形相间.虽然在和 b中可能还分别包含某个位相因子,但是我们可以问一个简单的情况,即两者位相因子相等 的情况.如果a实际上等于b,那么总几率就成为中+中2|2乘以|“|2,因为公共因了“可以 提出来。然而,这正好就是完全没有光子的情况下我们所得到的几率分布.所以,在波长很 长的情况下从而光子探测器无效一你们又重新得到原来的显示出于涉效应的分布 曲线,如图8-4(b)所示,对于光子探测器部分有效的情况,在大量的中和少量的中之间存 在着于涉,你将得到如图84()上所画的那种介于两者之间的分布.我们寻找进入D2的 光子和到达a的电子的符合计数我们将会得到同样的结果如果你们还记得第一章中的讨 论,你们可以看出这些结果对第一章里所谈到的c 过程给出了定量的描述 为使你们避免-个普遍的错误,我们现在要 强调说明一个重要的问题.假定你只要知道电子 到达a处的儿率而不管光子是在D2还是在D2 中计数,你们是否应把式(88)和式(3.9)所表示 2 的振幅相加起来呢?不!对于不同的、互相可以区 别的终态的振幅,你们无论如何都不得把它们相 加起来光子一旦被某个探测器所接收,只要我们 愿意,我们总是能够确定到底是哪一种情况发生, 而不需要再去扰乱这个系统.每个情况的几率完 全不依赖于另一情况.再重复一遍,不要把不同 图34在图3-3的实验中,对应子进人D 的一个光子,有一个电子到达的几率; 的最终情况的振幅相加所谓“最终”,指的是我们(a)对于b-0;(b)对于b-a; 帟望知道该几率的时刻—就是实验“结束”的时 ()对于0<b<c 候。在个过程结束以前,你们的确对实验中不能区别的各个不同的过程的振幅求和在 过程的终了,你们可以说,“不想要观察光子”.要不要对光子进行观察是你们自己的事,但 是你们仍然没有把振幅相加.自然界并不知道你们正在观察什么,无论你们是否费心记录 数据,自然界都按照它自身原有的方式发展变化着,所以我们不得把振幅祁邡.我们应当先 求出所有可能的终态的振幅的平方,然后再把它们加起来,对于一个电子到达,同时一个 光子到达D1或到达D2的情形来说,正确的结果是: 电子到电子从8发出 电子到叫电子从8发出 光子到D2光子从L发出 光子到D2|光子从五发出 φ:+砂小2||a2b小1|2 (3.10) §3-3在晶体上的散射 下一个例子是这样一个现象,我们在此现象中多少得比较仔细地分析几率幅的于涉,我 们观察中子在晶体上的散射过程.假定我们有一块晶体,它包含大量的原子,原子的中心是 原子核.这些原子核作周期性的排列,一束中子从很远的地方射来,我们用指标c来标记 晶体中不同的原子核,依次代表一系列的整数,1,2,3…N,N等于原子的总数.问题是 要计算在图3-5所示的装置中,计数器接收中子的几率.对于任意的一个原子多,中子到达 计数器c的振幅等子中子从源射到原子核的振幅乘以在原子核备上受到散射的振幅a再
费曼物理学讲义(鹩三卷) 乘以中子从么到计数器的振幅.我们可将其写成 〈到达的中子从8来的中子4=(|ais (3.11) 在写这个方程式时,我们已经假定散射振幅a对 于所有的原子都是一样的.这里有大量的、表观 中子源 品体 上不能区别的路线.这些路线之所以不能区别是 中子计效晕因为低能中子从原子核散射的时候不会把原子撞 图35测量中子在品体上的散射 离它在晶体中原来的位置—没有留下散射的 “记录”.按照以前的讨论,中子到达c的振幅必须包括式(311)对所有原子求和 到达c的中子从8来的中子>=∑(叫}分a〈 (3.12) 因为我们是对在不同空间位置的原子的散射振幅求和,这些振幅必定有不同的位相,这就得 到和我们以前曾经分析过的光在光栅上散射的情况中同样的特征干涉图样 在这样一个实验里面,常常发现中子强度确实随着角度的改变而显示出巨大的变化,具 有若干尖锐的于涉峰,在这些峰之间则几乎什么也没有—如图36(a)所示.然面,对于某 几种晶体情况就不是这祥的了.伴随着上面所说的干涉峰一起的还有散射到所有方向上的 普遍的本底,我们必须试图去理解这个看上去似乎难以理解的原因.原来我们没有考虑中 子的一个重要的性质,它具有二分之一的自旋,因而它就有两个可能的状态:不是自旋“向 上”(譬如说在图35中垂直于纸面)就是自旋向下.如果晶体中的原子核没有自旋,中子 的自旋就不会引起任何效应但是,如果晶体的原子核也具有自旋譬如说自旋为二分之一, 你们就会观察到上面所讲的模糊的散射本底,这个现象的解释如下 如果中子的自旋在某一个方向上,并且原子核具有同样方向的自旋,在散射过程中不可 能发生自旋方向的改变.如果中子和原子核具有反的自旋,于是可能发生两种不同的散 射过程其中一个过程中的自旋方向不变;而在另一种过程中自旋的方向互相交换,这个自 旋的总和不变的定则和经典定律中的角动量守恒定律相似.如果我们假定所有散射中子的 原子核的自旋都按同一方向排列,我们就能够开始理解这一现象,与原子核具有相同自旋 的中子受到散射时就得到预期的锐细的于涉分布曲线.对于自旋相反的中子,情况又怎样 呢?如果它在散射时,自旋方向不变,那么情况与上述结果没有什么两样,但是如果两者的自 旋在散射过程中都翻了一个身原则上我们就可发现,是在哪一个原子核上进行了散射.因 为这将是唯一的自旋反转的原子核.既然我们可以说出是在哪一个原子核上发生了散射, 其他的原子对此中子又有什么影响呢?当然没有,这一情况就和在单个原子上散射完全一 样 为计入这种效应,式(312)的数学表达式必须加以修正,因为在那祥的分析过程中我们 还没有对状态作完全的描述.让我们从下述条件出发:从中子源来的全部中子都具有向上 的自旋,而晶体中的所有原子都具有向下的自旋,首先我们要求的是:到达计数器的中子的 自旋都向上面晶体中所有原子核的自旋仍旧向下的振幅.这和我们以前的讨论没有不同 我们令a为散射时自旋不翻转的振幅.那么,在第个原子上散射的振幅是 a晶体都向下|S的k晶体都向下>=<|a(>。 因为所有原子核的自旋仍旧向下,各个不同的原子核(不同的值)元法区别,显然不可能 说出是在哪一个原子上发生了散射.对于这样的过程所有的振幅互相干涉
第3几率振幅 然而还有另外的情况,在这种情况下,从8出发的中子的自旋虽然都是向上的,但探测 到的中子自旋却是向下的,在晶体中有一个原子核的自旋必定改变成向上方向—一我们假 定这是第b个原子.我们假定对于自旋翻转的每一个原子都具有相同的散射振幅,称为b (在实际的晶体中,存在着另一种可能性,就是相反方向的自旋会转移到另外的某个原子上, 但是让我们只讨论这种过程的几率非常小的晶体)于是,散射振幅就是 O向原子核k向上|S向晶体都向下>一<砂b|S》 (3.J3 假如我们要计算中子自旋向下以及第和个原子核自旋向上的几率,它等于这个振幅的绝对 值的平方,就是|b乘上砂<.第二个因子几乎与第h个原子在晶体中的位置 无关,并且在取这个绝对值的平方时,所有的位相都消失了,从晶体中任意的原子核上所发 生的自旋翻转的散射几率是: b3∑!<<k|S>, 这必然会显示出图86(b)那样的光滑的分布曲线 你们或许会争辩:“我不在乎哪个原子向上、”也许你不在乎,但是自然界是知道的.实 际上的几率就是我们上面所得出的一没有任何干涉效应.另一方面,如果我们要求进入 探测器内的中子自旋向上而所有原子的自旋仍旧向下的几率那么我们要取下式的绝对值 的平方: Σ〈|6a(S》 因为求和号下面的各项都包含位相因子,它们要互相干涉,于是我们得到锐细的干涉图样 如果我们做实验时,没有观察到检得中子的自旋,那么两种悄况都可能发生,两种几率就要 相加.作为角度的函数的总儿率(或计数率)看上去就像阁3-6(c)中的曲线那样 哥 一 A 图3-6中子计数率作为角度的函数: (a)对于自旅为零的原子核; (b)自旋翻转的散射几率 (a)对于自旋为二分之一的原子核所观察得到的计率 我们来回顾一下这个实验的物理意义如果你们原则上能够区别各个不同的终态(即使 你们不愿费心去区别它们),算出各个状态的几率(不是掘幅),然后把它们相加,即得出总的 最终的几率.如果你们基至在原则上都不能区别各个终态,在取绝对值的平方以求出实际 的几率之前,必须先对几率振幅求和.你们必须特别注意的是:如果仅仅用波动来描写中 子,你你对向下自旋的中子和向上自旋的中于将会得到同样的散射分布.你们就要说:“波 来广所有的原子并且相互干涉,就像具有同样波长的向上自旋的中子一样.但是我们知道 实际情况并不是这样的.所以正如我们以前所讲过的,我们必须小心,不要对空间的波动赋 予过多的实在性,它们对于某些问题是有用的,但不是对所有的问题都有用
费曼物理学讲义(篱三卷 §3-4全同粒子 下面我们要描述一个显示出量子力学的美妙结论的实验.这个实验也涉及这样的物理 过程,一件事能以两种不能区别的方式发生,因此有振幅的干涉—在这样的悄况下这总是 正确的.我们将要讨论的是在比较低的能量下,一个原子核在另一个原子核上的散射.我 们先考虑a粒子(即你们所知道的氦原子核)轰击,譬如说轰击氧原子,为使我们对这个反 应的分析较为容易起见,我们在质心坐标系中进行观察在这个坐标系中氧原子核和a粒子 的速度在碰撞以前具有相反方向,在碰撞以后也具有完全相反的方向,参看图3-7(a),(因 为质量不同,速度的大小当然是不同的,)我们还要假定能量是守恒的,并且碰撞的能量足够 低既不发生粒子碎裂,也不会使粒子跃迁到激发态,两个粒子之所以彼此发生偏转,其原因 当然是由于两者都带有正电荷,按照经典的说法,当它们互相经过时,存在静电斥力.散 射将以不同的几率在不同的角度发生,我们要讨论的是这种散射的角度依赖关系,(当然 可以按照经典物理学来计算这个关系,因为量子力学对这个问题的解答和经典的结果完全 样.这是量子力学中最意外的巧合之一,对于这一点很难理解,因为除了平方反比定律以 外对其他力的情况就不是这样—所以 D它确实是一种巧合 不 同方向的 散射几率 可 以用图3 位登2的计数器设计成只检测氧原子 核一这第二个探测器仅仅用来作为核 对.(在实验室系统中,探测器不会在框 图3-7在质心系中观察粒子在氧原子核上的散射 反的方向上,但在质心系中,它们在相反 的方向上)我们的实验包括测量在不同方向上的散射几率.令∫(6)为探测器放在6角度 上粒子散射到探测器中的振幅;那么,1∫()|就是我们由实验测待的几率 我们还可设计另一个实验,其中所用的探测器既能对a粒子作出反应,也能对氧原子核 作出反应.这样我们就可得到在我们不需要区别所计数的是哪一种粒子的情况下所发生的 过程.当然,假如我们在角的位置上接收到一个氧原子,在相反的位置角度为(-0)上必 然会换收到一个a粒子,如图37(b)所示.所以,如果∫()是a粒子散射到6角的振幅,则 ∫(m-6)是氧原子散射到θ角的振幅.于是,在位置1接收到基种粒子的几率是 在D1中接收到某种粒子的几率一f(6)}2+lfw-6)2 (3.14) 注意,这两个状态原则上是可以区别的、即使在这个实验中我们不去区别这两种状态,但我 们是能够区别它们的按照以前的讨论我们必须把几率相加而不是把振幅相加. 上述结果对于各种靶核都是正确的—a粒子在氧原子核上的散射,在碳、铍、氢等等 原子核上的散射.但是对于a粒子在a粒子上的散射,这个结果就不对了.对于两个粒子 完全相同的情况,实验得出的数据和式(3,14)所预言的不一致,例如在90°角的散射几率 1)一般地讲,散射方向当然应该用两个角度来描写极角卓以及方位角6那么我们说氧原子核在(,就是说a 粒子在(-8,φ丌)。然而,对于库仑散射(以及对于其他许多情况)散射振幅不依赖于∮于是在方向得到 一个氧原子核的振幅和在(x-)方向行到一个a粒子的振幅是相同的