文科物理現(xiàn)代物理學量子世界PPT課件

1、1第三章第三章 現(xiàn)代物理學現(xiàn)代物理學 第二節(jié)第二節(jié) 量子世界量子世界n一、一、探索物質結構探索物質結構n二、原子的行星模型二、原子的行星模型n三、原子的階梯能量三、原子的階梯能量n四、微觀物質的神奇性質（波粒二象性）四、微觀物質的神奇性質（波粒二象性）第1頁/共40頁2一、探索物質結構一、探索物質結構 公孫龍 “一尺之錘，日取其半，萬世不竭” 物質可以無限的劃分 圖3.2.1 一尺之錘道爾頓（J.DaltonJ.Dalton） 倍比定律 實驗結論原子論 ：原子組成了物質世界的最小單位 第2頁/共40頁3湯姆森，湯姆森，J. J. Thomson， 1856-1940 ，英國物理學，英國物理學家

2、。家。 1906年諾貝爾物理年諾貝爾物理獎得主。獎得主。n1897年，英國物理年，英國物理學家湯姆森學家湯姆森(Josph John Thomson) 從實從實驗確認了帶負電的電驗確認了帶負電的電子的存在，測出了電子的存在，測出了電子的荷質比子的荷質比e/me。并。并因此被授予因此被授予1906年年諾貝爾物理獎。諾貝爾物理獎。 第3頁/共40頁4圖圖3.2.2 發(fā)現(xiàn)電子的實驗示意圖發(fā)現(xiàn)電子的實驗示意圖電子軌跡電子軌跡n由于電子的發(fā)現(xiàn)，湯由于電子的發(fā)現(xiàn)，湯姆姆森森被人們譽為：被人們譽為：“一位最先打開通一位最先打開通往往基本粒子物理學大門基本粒子物理學大門的偉人。的偉人。”第4頁/共40頁5 1

3、91.59 10Ce現(xiàn)在的公認值為：現(xiàn)在的公認值為：191.60217733(49) 10Ce根據(jù)電子的電量及荷質比根據(jù)電子的電量及荷質比e/me，可定，可定出電子的質量為：出電子的質量為：31e9.1093897(54) 10kgm密 立 根密 立 根 ( R . A . Millikan)，1868-1953，美國物理學，美國物理學家。家。1923年諾貝爾年諾貝爾物理獎得主。物理獎得主。n19101910年，年，美國物理學美國物理學家家密立根通過著名的密立根通過著名的“油滴實驗油滴實驗”精確地精確地測定了電子的電量。測定了電子的電量。后來又經(jīng)過幾年反復后來又經(jīng)過幾年反復測定，得出：測定，得

4、出：第5頁/共40頁6 圖圖3.2.3 湯姆森模型湯姆森模型二、原子的行星模型二、原子的行星模型n湯姆湯姆森森的的“西瓜模西瓜模型型”：原子中的正電：原子中的正電荷均勻分布在整個原荷均勻分布在整個原子球體內(nèi)，而電子則子球體內(nèi)，而電子則嵌在其中。電子分布嵌在其中。電子分布在一個個環(huán)上。在一個個環(huán)上。第6頁/共40頁7粒子散射實驗裝置側視圖粒子源粒子源散射箔散射箔閃爍屏閃爍屏顯微鏡顯微鏡散射角散射角圖圖3.2.4粒子散射實驗裝置俯視圖粒子散射實驗裝置俯視圖1、蓋革、蓋革-馬斯頓的馬斯頓的粒子散射實驗粒子散射實驗第7頁/共40頁8盧瑟福，盧瑟福，E. Rutherford，1871-1937，英國科

5、學家。，英國科學家。1908年年諾貝爾化學獎得主。諾貝爾化學獎得主。盧瑟福一生至少培養(yǎng)了盧瑟福一生至少培養(yǎng)了10位諾貝爾獎得主位諾貝爾獎得主 尼爾斯尼爾斯玻爾，玻爾，1922年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎保羅保羅狄拉克，狄拉克，1933年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎詹姆斯詹姆斯查德威克查德威克, 1935年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎布萊克特布萊克特,1948年的諾貝爾物理獎年的諾貝爾物理獎 沃爾頓和考克勞夫特沃爾頓和考克勞夫特,1951諾貝爾物理獎諾貝爾物理獎索迪，索迪，1921年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎赫維西，赫維西，1943年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎哈恩，哈恩，1944年諾貝爾化學獎年諾貝

6、爾化學獎鮑威爾，鮑威爾，1950年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎貝特，貝特，1967年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎卡皮查，卡皮查，1978年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎諾貝爾獎得主的幼兒園諾貝爾獎得主的幼兒園 第8頁/共40頁9原子核電子圖圖3.2.5 盧瑟福原子結構模型盧瑟福原子結構模型原子尺度10-10m 10-14m 行星模型 2 2、盧瑟福提出的原子核式結構模型、盧瑟福提出的原子核式結構模型n原子是由原子核原子是由原子核與與核外電核外電子構成的，原子核位于原子構成的，原子核位于原子的中心，它的半徑小于子的中心，它的半徑小于10-14米，帶著電荷為米，帶著電荷為Ze的正的正電（其中電（其中Z為核

7、電荷數(shù)）；為核電荷數(shù)）；原子的半徑為原子的半徑為10-10米，米，Z個個電子每一個都像行星一樣，電子每一個都像行星一樣，位于以核為中心，以位于以核為中心，以10-10米米為半徑的球面或球內(nèi)，繞為半徑的球面或球內(nèi)，繞核旋轉來保持平衡。核旋轉來保持平衡。 第9頁/共40頁10FrR圖3.2.6 粒子在兩種模型中的受力比較FRrF1/r2F1/r2Fr粒子粒子粒子粒子 粒子在兩種模型中的受力情況比較粒子在兩種模型中的受力情況比較第10頁/共40頁11盧瑟福手跡盧瑟福手跡第11頁/共40頁12絕對黑體模型：絕對黑體模型： 從外面觀察打開的窗戶從外面觀察打開的窗戶是黑色的，陽光進入房間后是黑色的，陽光進

8、入房間后經(jīng)多次反射全被吸收，這是經(jīng)多次反射全被吸收，這是一個近似的一個近似的絕對黑體模型。絕對黑體模型。三、原子的階梯能量三、原子的階梯能量1、普朗克提出的能量量子化對黑體輻射的解釋、普朗克提出的能量量子化對黑體輻射的解釋第12頁/共40頁13E=nh（n=1,2,3,） 普朗克，Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947，德國物理學家，量子物理學的開創(chuàng)者和奠基人。獲 1 9 1 81 9 1 8 年 N o b e l N o b e l PrizePrize。第13頁/共40頁14VA光真空管電子圖圖3.2.8 光電效應實驗圖光電效應實驗圖光量子E=hE=

9、h普朗克常量h=6.62610-26JsA.Einstein ，1879 1955， 德國人2、愛因斯坦提出的光量子對光電效應的解釋、愛因斯坦提出的光量子對光電效應的解釋第14頁/共40頁15圖圖3.2.9 太陽光譜圖太陽光譜圖光譜儀 光源光源棱鏡棱鏡紅光紅光藍光藍光圖圖3.2.10 光譜儀結構示意圖光譜儀結構示意圖紫外區(qū)紅外區(qū)HHHHH=364.6410.1 434.0 486.1656.2 nm圖圖3.2.11 氫原子光譜氫原子光譜3 3、瑞士學者巴耳末根據(jù)經(jīng)驗得到的氫原子光譜公式、瑞士學者巴耳末根據(jù)經(jīng)驗得到的氫原子光譜公式22(3,4,5,6,)4nBnn22111()Rkn第15頁/共

10、40頁16玻爾，玻爾，Niels Bohr ，1885-1962，丹麥物理，丹麥物理學家。學家。 1922年諾貝爾年諾貝爾物理學獎得主。物理學獎得主。4、玻爾提出的定態(tài)軌道模型、玻爾提出的定態(tài)軌道模型n玻爾通過引入量子化條件，提玻爾通過引入量子化條件，提出了玻爾模型來解釋氫原子光出了玻爾模型來解釋氫原子光譜，提出互補原理和哥本哈根譜，提出互補原理和哥本哈根詮釋來解釋量子力學，對二十詮釋來解釋量子力學，對二十世紀物理學的發(fā)展有深遠的影世紀物理學的發(fā)展有深遠的影響。玻爾為丹麥物理學家，哥響。玻爾為丹麥物理學家，哥本哈根學派的創(chuàng)始人。本哈根學派的創(chuàng)始人。 第16頁/共40頁17定態(tài)軌道 圖圖3.2.

11、12 3.2.12 玻爾模型的定態(tài)軌道和能級玻爾模型的定態(tài)軌道和能級E1E2E3E1E2E3第17頁/共40頁18角動量量子化 L=nh/(2)（n=1，2，） 躍遷頻率 h= E2- E1 圖圖3.2.13 電子躍遷產(chǎn)生線狀光譜電子躍遷產(chǎn)生線狀光譜E1 E2E3第18頁/共40頁19泡利，W.Pauli, 1900-1958，奧地利維也納物理學家。1945年Nobel物理學獎得主。5、泡利不相容原理、泡利不相容原理-電子的量子數(shù)電子的量子數(shù)n泡利（泡利（W.Pauli）不相容）不相容原理：在原子中，一個電原理：在原子中，一個電子的狀態(tài)由四個量子數(shù)子的狀態(tài)由四個量子數(shù)（n，l，m，s）決定，不

12、）決定，不可能有兩個或兩個以上的可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個電子具有完全相同的四個量子數(shù)。量子數(shù)。 第19頁/共40頁20n=1n=2n=3圖圖3.2.14 3.2.14 電子在不同能級的分布情況電子在不同能級的分布情況電子能級電子能級第20頁/共40頁21愛因斯坦 E=hp=h/ 圖圖3.2.15 光的波粒二象性光的波粒二象性粒子性粒子性波動性波動性1905年1917年？ 光 四、微觀物質的神奇性質（波粒二象性）四、微觀物質的神奇性質（波粒二象性）1、光的波粒二象性、光的波粒二象性第21頁/共40頁22康普頓，A. H.Compton，1892-1962，美國物理學家。192

13、7年諾貝爾物理學獎獲得者。n康普頓從康普頓從1920年開始從事年開始從事X射線經(jīng)石墨或金屬等物射線經(jīng)石墨或金屬等物質散射光譜的研究，用光質散射光譜的研究，用光子和電子的相互碰撞解釋子和電子的相互碰撞解釋了了X射線散射中波長變長射線散射中波長變長的實驗結果，有力地證實的實驗結果，有力地證實了愛因斯坦的光量子假說。了愛因斯坦的光量子假說。第22頁/共40頁23X射線源射線源鉛準直器鉛準直器石墨散射體石墨散射體 晶體晶體探測器探測器圖圖3.2.16 康普頓散射實驗示意圖康普頓散射實驗示意圖康普頓散射實驗：表明了光的波粒二象性康普頓散射實驗：表明了光的波粒二象性第23頁/共40頁24=h/p 德布羅意

14、，德布羅意，Louis Louis Victor de BroglieVictor de Broglie，1892198718921987，法國著法國著名理論物理學家。名理論物理學家。19291929年諾貝爾物理年諾貝爾物理學獎獲得者。學獎獲得者。 1924.11.291924.11.29德布羅意把題為德布羅意把題為“量子理論量子理論的研究的研究”的博士論文提交巴黎大學，獲的博士論文提交巴黎大學，獲得評委會的高度評價和愛因斯坦的稱贊得評委會的高度評價和愛因斯坦的稱贊： “揭開了自然界巨大帷幕的一角揭開了自然界巨大帷幕的一角”。2、德布羅意提出的物質波、德布羅意提出的物質波n“所有的物體都具有波

15、動性所有的物體都具有波動性” =E/h 第24頁/共40頁25 （ a）單晶衍射譜）單晶衍射譜 （b）多晶衍射譜）多晶衍射譜圖圖3.2.17 電子晶體衍射圖樣電子晶體衍射圖樣戴維森（戴維森（1881年年-1958年），美國物年），美國物理學家。理學家。戴維森因戴維森因驗證電子的波動性驗證電子的波動性榮獲了榮獲了1937年的物年的物理學諾貝爾獎金理學諾貝爾獎金.電子晶體衍射實驗電子晶體衍射實驗G.P.湯姆森（18921975） 英國物理學家，物理學家J.J.湯姆森的獨生子。G.P.湯姆孫的主要貢獻是從電子束射過薄金箔所產(chǎn)生的衍射圖的實驗中求得的衍射波長，正好與L.V.德布羅意所預言的電子波的波長

16、相符，因而證實了電子的波動性 。幾乎同時，C.J.戴維森也由電子束經(jīng)晶體表面的漫反射的衍射實驗而得到同樣的結論，為此兩人共獲1937年的諾貝爾物理學獎。 第25頁/共40頁26xpxh/4和tEh/4 海森伯，Werner Karl Heisenberg，1901-1976，德國物理學家。1932年諾貝爾物理學獎獲得者。 3、海森伯于、海森伯于1925你建立了矩陣力學，你建立了矩陣力學， 1927年提出不確定關系。年提出不確定關系。n 粒子在客觀上不能同時具有確粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標位置和相應的動量定的坐標位置和相應的動量n由于一個微觀粒子停留在一個由于一個微觀粒子停留在一個能級上

17、的時間有限，因此具有能級上的時間有限，因此具有能級彌散能級彌散 第26頁/共40頁27dxypxysin圖圖3.2.18 電子單縫衍射實驗電子單縫衍射實驗電子束屏幕屏幕電子的單縫衍射實驗電子的單縫衍射實驗第27頁/共40頁28薛定諤，Erwin Schrdinger, 18871961, 奧地利理論物理學家 。1933年諾貝爾物理學獎獲得者。4、薛定諤的波動方程、薛定諤的波動方程薛定諤于薛定諤于1926年創(chuàng)造波動力學：年創(chuàng)造波動力學：定態(tài)定態(tài)薛定諤方程薛定諤方程 222( )( )( )( )8hrV rrErm薛定諤由上述方程算出氫原子的能級分布。其中 叫做波函數(shù)。( , )r t第28頁/

18、共40頁29 玻恩，玻恩，M.Born，18821970，德國理論物理學，德國理論物理學家。家。1954年年Nobel物理學物理學獎獲得者。獎獲得者。 5、玻恩對波函數(shù)的統(tǒng)計解釋、玻恩對波函數(shù)的統(tǒng)計解釋n 描述微觀粒子運動狀態(tài)的描述微觀粒子運動狀態(tài)的是是波函數(shù)波函數(shù)。 n1927年，玻恩把年，玻恩把 2解釋為在給定的解釋為在給定的 t 時刻，時刻，在空間某處的單位體積中在空間某處的單位體積中找到一個粒子的概率，即找到一個粒子的概率，即概率密度。概率密度。 玻恩和約爾丹之前還發(fā)展了海森伯的矩陣力學。第29頁/共40頁30光的雙縫干涉實驗光的雙縫干涉實驗 第30頁/共40頁31圖圖3.2.19 雙縫干涉實驗雙縫干涉實驗機槍機槍電子槍電子槍子彈子彈電子電子雙縫雙縫雙縫雙縫屏幕屏幕屏幕屏幕分別用機槍和電子槍掃射雙縫分別用機槍和電子槍掃射雙縫第31頁/共40頁32電子雙縫干涉實驗圖樣 世界十大最美麗的實驗之榜首 第32頁/共40頁33電電子子雙雙縫縫干干涉涉實實驗驗 第33頁/共40頁34n=2 (a)l=0，m=0 (b)l=1，m=0 (c)l=1，m=1圖圖3.2.20 3.2.20 氫原子的電子云圖氫原子的電子云圖zzzxyn=1，l=0，m=0zn=1，2，；l=0，1， n -1；m=0，1，l。 根據(jù)