南方醫(yī)科大學《大學物理》李貞姬-ch13-123-lzj

第十三章早期量子論和量子力學基礎(chǔ)QuantumPhysics N 玻爾 M 玻恩 W L 布拉格 L V 德布羅意 A H 康普頓 M 居里 P A M狄喇克 A 愛因斯坦 W K 海森堡 郞之萬 W 泡利 普朗克 薛定諤等 第五次索爾維會議與會者合影 1927年 量子力學基礎(chǔ) 基本要求 1 了解熱輻射的基本規(guī)律 2 掌握普朗克能量量子概念和量子假設(shè) 3 掌握愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 4 理解康普頓散射和光電效應(yīng)中的能量量子化本質(zhì) 5 認識光的本性 波粒二象性 從經(jīng)典物理到現(xiàn)代物理概述 物理學的分支及近年來發(fā)展的總趨勢 尋找以太的零結(jié)果 16世紀中葉 19世紀末 物理學經(jīng)歷了重大突破 伽利略 牛頓 克勞修斯力學與統(tǒng)計物理 機械運動 熱現(xiàn)象 法拉第 麥克斯韋電磁理論 電磁現(xiàn)象 光 完整的經(jīng)典物理理論體系 人類對自然的認識到了盡頭 黑體輻射 光電效應(yīng) 原子光譜線 物理學晴朗的天空出現(xiàn)了幾朵令人不安的 烏云 相對論和量子理論的誕生撥開了 烏云 深刻改變了人們對物理世界的了解 1 1經(jīng)典物理學的困難宏觀物理的機械運動 牛頓力學電磁現(xiàn)象 麥克斯韋方程光現(xiàn)象 光的波動理論熱現(xiàn)象 熱力學與統(tǒng)計物理學多數(shù)物理學家認為物理學的重要定律均已發(fā)現(xiàn) 理論已相當完善了 以后的任務(wù)只是提高實驗精度和研究理論的應(yīng)用 19世紀末20世紀初 在物理學晴朗天空的遠處還有兩朵小小的 令人不安的烏云 1 紫外災(zāi)難 經(jīng)典理論得出的瑞利 金斯公式 在高頻部分趨無窮 2 以太漂移 邁克爾遜 莫雷實驗表明 不存在以太 歷史有驚人的相似之處 當前 處于21世紀之初 物理學碩果累累 但也遇到兩大困惑 夸克禁閉 和 對稱性破缺 預(yù)示物理學正面臨新的挑戰(zhàn) 黑體輻射光電效應(yīng)原子的光譜線系固體低溫下的比熱光的波粒二象性玻爾原子結(jié)構(gòu)理論 半經(jīng)典 微觀粒子的波粒二象性量子力學 經(jīng)典物理學只適用于宏觀尺度 速度遠小于光速情形 它是狹義相對論和量子理論在以上情形的近似理論 警惕 在宏觀尺度上建立起來的日常生活習慣認識在近代物理的范疇常常失效 熱輻射 物體中的分子原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射 一 熱輻射現(xiàn)象 Thermalradiation Planck senergyquantumassumption 輻射和吸收達到平衡時 物體的溫度不再變化 此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射Equilibriumthermalradiation 物體輻射電磁波的同時 也吸收電磁波 物體輻射本領(lǐng)越大 其吸收本領(lǐng)也越大 13 1熱輻射普朗克的能量子假設(shè) 溫度升高 輻射的總功率增大 并且輻射的電磁波的波長移向短波 例如鐵棒加熱 單色輻射出射度 單色輻出度 一定溫度T下 物體單位面元在單位時間內(nèi)發(fā)射的波長在 d 內(nèi)的輻射能dE 與波長間隔d 的比值 輻出度 物體 溫度T 單位表面在單位時間內(nèi)發(fā)射的輻射能 為 溫度越高 輻出度越大 另外 輻出度還與材料性質(zhì)有關(guān) m 說明 01 01 75 二 黑體輻射 black bodyradiation 絕對黑體 黑體 能夠全部吸收各種波長的輻射且不反射和透射的物體 黑體輻射的特點 與同溫度其它物體的熱輻射相比 黑體熱輻射本領(lǐng)最強 煤煙 約99 黑體模型 物體熱輻射 黑體熱輻射 溫度 材料性質(zhì) 1 斯特藩 玻耳茲曼定律 1879 式中 輻出度與T4成正比 2 維恩位移定律 1896 峰值波長 m與溫度T成反比 可見光 5000K 6000K 3000K 4000K 黑體單色輻出度隨波長的變化 三 經(jīng)典物理的解釋及普朗克公式 MB 瑞利 金斯公式 經(jīng)典電動力學 統(tǒng)計物理 1900年 維恩公式 熱力學 1893年 普朗克公式 1900年 為解釋這一公式 普朗克提出了能量量子化假設(shè) 實驗曲線 紫外災(zāi)難 電磁波 四 普朗克能量子假設(shè) 必須使諧振子的能量值取分立值 才能得到上述普朗克公式 才能避免 紫外災(zāi)難 既若諧振子頻率為v 則其能量是 等等 首次提出微觀粒子的能量是量子化的 打破了經(jīng)典物理學中能量連續(xù)的觀念 1918 NobelPrize 普朗克常數(shù)h 6 626 10 34J s 腔壁上的原子 能量 與腔內(nèi)電磁場交換能量時 諧振子能量的變化是 能量子 的整數(shù)倍 德國物理學家 量子物理學的開創(chuàng)者和奠基人 由于創(chuàng)立了量子理論獲得1918年諾貝爾物理學獎金 普朗克假說不僅圓滿地解釋了絕對黑體的輻射問題 還解釋了固體的比熱問題等等 它成為現(xiàn)代理論的重要組成部分 打開了人們認識微觀世界的大門 在物理學發(fā)展史上起了劃時代的作用 普朗克 1858 1947 公元1885到1889年間 德國物理學家赫茲做了一系列實驗 證實了麥克斯韋的電磁輻射理論 就在這些著名的實驗當中 赫茲發(fā)現(xiàn)他所制造的輻射會以一種出人意料的方式影響儀器的電極 這就是著名的光電效應(yīng)實驗 13 2光電效應(yīng)愛因斯坦光子理論ThePhotoelectricEffect Einstein squantumphotonassumption 1 飽和電流SaturationcurrentiS iS 光電子數(shù) I 金屬及其化合物在光照下發(fā)射電子的現(xiàn)象 光電流隨電壓增加而增大然后趨于飽和 入射光強I越大飽和光電流越大 一 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 I1 I2 I3 13 2光電效應(yīng)愛因斯坦光子理論 光電子最大初動能與光強無關(guān) 2 遏止電壓StoppingvoltageUa 電位差為0時 光電流并不為0 最大初動能 3 截止頻率Thresholdfrequency 0 遏止電壓與頻率成線性關(guān)系 當入射光頻率 0 無論光強和照射時間怎樣變化 都沒有光電流 0稱為截止頻率或紅限 對于不同金屬 其斜率相同 即K是一個與材料無關(guān)的普適恒量 最大初動能與頻率亦成線性關(guān)系 4 即時發(fā)射Immediateemission 遲滯時間不超過10 9秒 當一定頻率的光照射到K表面時 真空管內(nèi)幾乎立刻出現(xiàn)光電子 很快形成光電流 瞬時響應(yīng) 二 經(jīng)典物理與實驗規(guī)律的矛盾Contradictionbetweenclassicalphysicsandexperimentalresults 電子在電磁波作用下作受迫振動 直到獲得足夠能量 與光強I有關(guān) 逸出 不應(yīng)存在紅限 0 當光強很小時 電子要逸出 必須經(jīng)較長時間的能量積累 只有光的頻率 0時 電子才會逸出 逸出光電子的多少取決于光強I 光電子即時發(fā)射 滯后時間不超過10 9秒 總結(jié) 光電子最大初動能和光頻率 成線性關(guān)系 光電子最大初動能取決于光強 和光的頻率 無關(guān) 三 愛因斯坦光子假說光電效應(yīng)方程1921 NobelPrizeEinstein squantumphotonassumption photoelectriceffectequation 光是以光速運動的粒子流 光子流 每一光子能量為h 它不能再分割 只能整份的產(chǎn)生或吸收 電子吸收一個光子 A為逸出功 克服金屬表面阻力所做的功 單位時間到達單位垂直面積的光子數(shù)為N 則光強I Nh I越強 到陰極的光子越多 則逸出的光電子越多 討論 光電子最大初動能和遏止電壓都與光頻率 成線性關(guān)系 光頻率 A h時 電子吸收一個光子即可克服逸出功A逸出 電子吸收一個光子即可逸出 不需要長時間的能量積累 自然解釋了光電效應(yīng)的瞬時性 光子動量 四 光的波粒二象性 光子能量 光子質(zhì)量 粒子性 波動性 光的波粒二象性 四 光的波粒二象性Dualityprincipleoflight 光的波粒二象性光是粒子性和波動性矛盾的統(tǒng)一體 在不同的條件下 主要矛盾方面會發(fā)生轉(zhuǎn)化 例如在干涉和衍射實驗的條件下 波動性就成為主要矛盾 光的行為表現(xiàn)為 波 而在原子吸收和發(fā)射光的情況下 粒子性成為主要矛盾 光的行為表現(xiàn)出象 粒子 1921年的諾貝爾物理學獎金則是由于他提出了光量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律而獲得的 散射線中有兩種波長 0 探測器 13 3康普頓效應(yīng) 一 實驗規(guī)律 X光管 光闌 散射物體 1923年美國物理學家Compton首先發(fā)現(xiàn) 波長的增加量與散射角有關(guān) 與散射物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān) 實驗結(jié)果 康普頓散射的強度與散射物質(zhì)有關(guān) 原子量小的散射物質(zhì)康普頓散射較強 即正常峰較低 反之相反 康普頓1927年諾貝爾物理學獎 吳有訓于1926年對不同散射物質(zhì)進行了研究 二 經(jīng)典物理的解釋 經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射 而不能說明康普頓散射 電子受迫振動 同頻率散射線 發(fā)射 單色電磁波 說明 受迫振動 照射 散射物體 三 光子理論解釋 能量 動量守恒 1 入射光子與外層電子彈性碰撞 外層電子 2 X射線光子和原子內(nèi)層電子相互作用 光子質(zhì)量遠小于原子 碰撞時光子不損失能量 波長不變 原子 自由電子 內(nèi)層電子被緊束縛 光子相當于和整個原子發(fā)生碰撞 所以 波長改變量 電子的康普頓波長 說明 1923年康普頓散射進一步證實了光子論 證明了光子能量 動量表示式的正確性 證明了在光電相互作用的過程中嚴格遵守能量 動量守恒定律 可見光確實具有粒子性 1900年普朗克在確立黑體輻射定律的過程中提出能量量子化的假說 揭開了20世紀物理學革命的序幕 為物理學找到了一個新的概念基礎(chǔ) 1905年愛因斯坦提出了光量子假說 進一步發(fā)展了普朗克能量量子化的思想 1913年玻爾創(chuàng)造性地把量子概念應(yīng)用到盧瑟福的原子模型 建立了氫原子理論 說明了氫光譜線 例 0 0 02nm的X射線與靜止的自由電子碰撞 若從與入射線成900的方向觀察散射線 求散射線的波長 解 能量守恒 反沖電子動能等于光子能量之差 動量守恒 根據(jù)動能 動量關(guān)系 波長為 例 波長為0 0