文科物理現(xiàn)代物理學(xué)量子世界PPT課件

1、1第三章第三章 現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)代物理學(xué) 第二節(jié)第二節(jié) 量子世界量子世界n一、一、探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)的神奇性質(zhì)（波粒二象性）四、微觀物質(zhì)的神奇性質(zhì)（波粒二象性）第1頁(yè)/共40頁(yè)2一、探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)一、探索物質(zhì)結(jié)構(gòu) 公孫龍 “一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭” 物質(zhì)可以無(wú)限的劃分 圖3.2.1 一尺之錘道爾頓（J.DaltonJ.Dalton） 倍比定律 實(shí)驗(yàn)結(jié)論原子論 ：原子組成了物質(zhì)世界的最小單位 第2頁(yè)/共40頁(yè)3湯姆森，湯姆森，J. J. Thomson， 1856-1940 ，英國(guó)物理學(xué)，英國(guó)物理學(xué)家

2、。家。 1906年諾貝爾物理年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。獎(jiǎng)得主。n1897年，英國(guó)物理年，英國(guó)物理學(xué)家湯姆森學(xué)家湯姆森(Josph John Thomson) 從實(shí)從實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了帶負(fù)電的電驗(yàn)確認(rèn)了帶負(fù)電的電子的存在，測(cè)出了電子的存在，測(cè)出了電子的荷質(zhì)比子的荷質(zhì)比e/me。并。并因此被授予因此被授予1906年年諾貝爾物理獎(jiǎng)。諾貝爾物理獎(jiǎng)。 第3頁(yè)/共40頁(yè)4圖圖3.2.2 發(fā)現(xiàn)電子的實(shí)驗(yàn)示意圖發(fā)現(xiàn)電子的實(shí)驗(yàn)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(yù)為：被人們譽(yù)為：“一位最先打開(kāi)通一位最先打開(kāi)通往往基本粒子物理學(xué)大門(mén)基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人。的偉人?！钡?頁(yè)/共40頁(yè)5 1

3、91.59 10Ce現(xiàn)在的公認(rèn)值為：現(xiàn)在的公認(rèn)值為：191.60217733(49) 10Ce根據(jù)電子的電量及荷質(zhì)比根據(jù)電子的電量及荷質(zhì)比e/me，可定，可定出電子的質(zhì)量為：出電子的質(zhì)量為：31e9.1093897(54) 10kgm密 立 根密 立 根 ( R . A . Millikan)，1868-1953，美國(guó)物理學(xué)，美國(guó)物理學(xué)家。家。1923年諾貝爾年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。物理獎(jiǎng)得主。n19101910年，年，美國(guó)物理學(xué)美國(guó)物理學(xué)家家密立根通過(guò)著名的密立根通過(guò)著名的“油滴實(shí)驗(yàn)油滴實(shí)驗(yàn)”精確地精確地測(cè)定了電子的電量。測(cè)定了電子的電量。后來(lái)又經(jīng)過(guò)幾年反復(fù)后來(lái)又經(jīng)過(guò)幾年反復(fù)測(cè)定，得出：測(cè)定，得

4、出：第5頁(yè)/共40頁(yè)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(gè)原荷均勻分布在整個(gè)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(gè)個(gè)環(huán)上。在一個(gè)個(gè)環(huán)上。第6頁(yè)/共40頁(yè)7粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置側(cè)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(shí)驗(yàn)裝置俯視圖粒子散射實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖1、蓋革、蓋革-馬斯頓的馬斯頓的粒子散射實(shí)驗(yàn)粒子散射實(shí)驗(yàn)第7頁(yè)/共40頁(yè)8盧瑟福，盧瑟福，E. Rutherford，1871-1937，英國(guó)科

5、學(xué)家。，英國(guó)科學(xué)家。1908年年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)得主位諾貝爾獎(jiǎng)得主 尼爾斯尼爾斯玻爾，玻爾，1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)保羅保羅狄拉克，狄拉克，1933年諾貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)?wù)材匪拐材匪共榈峦瞬榈峦? 1935年諾貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)布萊克特布萊克特,1948年的諾貝爾物理獎(jiǎng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng) 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(jiǎng)諾貝爾物理獎(jiǎng)索迪，索迪，1921年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)赫維西，赫維西，1943年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)哈恩，哈恩，1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝

6、爾化學(xué)獎(jiǎng)鮑威爾，鮑威爾，1950年諾貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)貝特，貝特，1967年諾貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)卡皮查，卡皮查，1978年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾獎(jiǎng)得主的幼兒園諾貝爾獎(jiǎng)得主的幼兒園 第8頁(yè)/共40頁(yè)9原子核電子圖圖3.2.5 盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型盧瑟福原子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型、盧瑟福提出的原子核式結(jié)構(gòu)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(gòu)成的，原子核位于原子構(gòu)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(gè)個(gè)電子每一個(gè)都像行星一樣，電子每一個(gè)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(zhuǎn)來(lái)保持平衡。核旋轉(zhuǎn)來(lái)保持平衡。 第9頁(yè)/共40頁(yè)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(yè)/共40頁(yè)11盧瑟福手跡盧瑟福手跡第11頁(yè)/共40頁(yè)12絕對(duì)黑體模型：絕對(duì)黑體模型： 從外面觀察打開(kāi)的窗戶從外面觀察打開(kāi)的窗戶是黑色的，陽(yáng)光進(jìn)入房間后是黑色的，陽(yáng)光進(jìn)

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(gè)近似的一個(gè)近似的絕對(duì)黑體模型。絕對(duì)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(duì)黑體輻射的解釋、普朗克提出的能量量子化對(duì)黑體輻射的解釋第12頁(yè)/共40頁(yè)13E=nh（n=1,2,3,） 普朗克，Max Karl Ernst Ludwig Planck, 18581947，德國(guó)物理學(xué)家，量子物理學(xué)的開(kāi)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(yè)/共40頁(yè)14VA光真空管電子圖圖3.2.8 光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖光量子E=hE=

9、h普朗克常量h=6.62610-26JsA.Einstein ，1879 1955， 德國(guó)人2、愛(ài)因斯坦提出的光量子對(duì)光電效應(yīng)的解釋、愛(ài)因斯坦提出的光量子對(duì)光電效應(yīng)的解釋第14頁(yè)/共40頁(yè)15圖圖3.2.9 太陽(yáng)光譜圖太陽(yáng)光譜圖光譜儀 光源光源棱鏡棱鏡紅光紅光藍(lán)光藍(lán)光圖圖3.2.10 光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖光譜儀結(jié)構(gòu)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(xué)者巴耳末根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的氫原子光譜公式、瑞士學(xué)者巴耳末根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的氫原子光譜公式22(3,4,5,6,)4nBnn22111()Rkn第15頁(yè)/共

10、40頁(yè)16玻爾，玻爾，Niels Bohr ，1885-1962，丹麥物理，丹麥物理學(xué)家。學(xué)家。 1922年諾貝爾年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。物理學(xué)獎(jiǎng)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(guò)引入量子化條件，提玻爾通過(guò)引入量子化條件，提出了玻爾模型來(lái)解釋氫原子光出了玻爾模型來(lái)解釋氫原子光譜，提出互補(bǔ)原理和哥本哈根譜，提出互補(bǔ)原理和哥本哈根詮釋來(lái)解釋量子力學(xué)，對(duì)二十詮釋來(lái)解釋量子力學(xué)，對(duì)二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。玻爾為丹麥物理學(xué)家，哥響。玻爾為丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人。本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人。 第16頁(yè)/共40頁(yè)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(jí)玻爾模型的定態(tài)軌道和能級(jí)E1E2E3E1E2E3第17頁(yè)/共40頁(yè)18角動(dòng)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(yè)/共40頁(yè)19泡利，W.Pauli, 1900-1958，奧地利維也納物理學(xué)家。1945年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)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(gè)電原理：在原子中，一個(gè)電子的狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)子的狀態(tài)由四個(gè)量子數(shù)（n，l，m，s）決定，不

12、）決定，不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)。量子數(shù)。 第19頁(yè)/共40頁(yè)20n=1n=2n=3圖圖3.2.14 3.2.14 電子在不同能級(jí)的分布情況電子在不同能級(jí)的分布情況電子能級(jí)電子能級(jí)第20頁(yè)/共40頁(yè)21愛(ài)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(dòng)性波動(dòng)性1905年1917年？ 光 四、微觀物質(zhì)的神奇性質(zhì)（波粒二象性）四、微觀物質(zhì)的神奇性質(zhì)（波粒二象性）1、光的波粒二象性、光的波粒二象性第21頁(yè)/共40頁(yè)22康普頓，A. H.Compton，1892-1962，美國(guó)物理學(xué)家。192

13、7年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。n康普頓從康普頓從1920年開(kāi)始從事年開(kāi)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(zhì)散射光譜的研究，用光質(zhì)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(zhǎng)變長(zhǎng)射線散射中波長(zhǎng)變長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有力地證實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有力地證實(shí)了愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)。了愛(ài)因斯坦的光量子假說(shuō)。第22頁(yè)/共40頁(yè)23X射線源射線源鉛準(zhǔn)直器鉛準(zhǔn)直器石墨散射體石墨散射體 晶體晶體探測(cè)器探測(cè)器圖圖3.2.16 康普頓散射實(shí)驗(yàn)示意圖康普頓散射實(shí)驗(yàn)示意圖康普頓散射實(shí)驗(yàn)：表明了光的波粒二象性康普頓散射實(shí)驗(yàn)：表明了光的波粒二象性第23頁(yè)/共40頁(yè)24=h/p 德布羅意

14、，德布羅意，Louis Louis Victor de BroglieVictor de Broglie，1892198718921987，法國(guó)著法國(guó)著名理論物理學(xué)家。名理論物理學(xué)家。19291929年諾貝爾物理年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。學(xué)獎(jiǎng)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(xué)，獲的博士論文提交巴黎大學(xué)，獲得評(píng)委會(huì)的高度評(píng)價(jià)和愛(ài)因斯坦的稱贊得評(píng)委會(huì)的高度評(píng)價(jià)和愛(ài)因斯坦的稱贊： “揭開(kāi)了自然界巨大帷幕的一角揭開(kāi)了自然界巨大帷幕的一角”。2、德布羅意提出的物質(zhì)波、德布羅意提出的物質(zhì)波n“所有的物體都具有波

15、動(dòng)性所有的物體都具有波動(dòng)性” =E/h 第24頁(yè)/共40頁(yè)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(guó)物年），美國(guó)物理學(xué)家。理學(xué)家。戴維森因戴維森因驗(yàn)證電子的波動(dòng)性驗(yàn)證電子的波動(dòng)性榮獲了榮獲了1937年的物年的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)金理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)金.電子晶體衍射實(shí)驗(yàn)電子晶體衍射實(shí)驗(yàn)G.P.湯姆森（18921975） 英國(guó)物理學(xué)家，物理學(xué)家J.J.湯姆森的獨(dú)生子。G.P.湯姆孫的主要貢獻(xiàn)是從電子束射過(guò)薄金箔所產(chǎn)生的衍射圖的實(shí)驗(yàn)中求得的衍射波長(zhǎng)，正好與L.V.德布羅意所預(yù)言的電子波的波長(zhǎng)

16、相符，因而證實(shí)了電子的波動(dòng)性 。幾乎同時(shí)，C.J.戴維森也由電子束經(jīng)晶體表面的漫反射的衍射實(shí)驗(yàn)而得到同樣的結(jié)論，為此兩人共獲1937年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 第25頁(yè)/共40頁(yè)26xpxh/4和tEh/4 海森伯，Werner Karl Heisenberg，1901-1976，德國(guó)物理學(xué)家。1932年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。 3、海森伯于、海森伯于1925你建立了矩陣力學(xué)，你建立了矩陣力學(xué)， 1927年提出不確定關(guān)系。年提出不確定關(guān)系。n 粒子在客觀上不能同時(shí)具有確粒子在客觀上不能同時(shí)具有確定的坐標(biāo)位置和相應(yīng)的動(dòng)量定的坐標(biāo)位置和相應(yīng)的動(dòng)量n由于一個(gè)微觀粒子停留在一個(gè)由于一個(gè)微觀粒子停留在一個(gè)能級(jí)上

17、的時(shí)間有限，因此具有能級(jí)上的時(shí)間有限，因此具有能級(jí)彌散能級(jí)彌散 第26頁(yè)/共40頁(yè)27dxypxysin圖圖3.2.18 電子單縫衍射實(shí)驗(yàn)電子單縫衍射實(shí)驗(yàn)電子束屏幕屏幕電子的單縫衍射實(shí)驗(yàn)電子的單縫衍射實(shí)驗(yàn)第27頁(yè)/共40頁(yè)28薛定諤，Erwin Schrdinger, 18871961, 奧地利理論物理學(xué)家 。1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。4、薛定諤的波動(dòng)方程、薛定諤的波動(dòng)方程薛定諤于薛定諤于1926年創(chuàng)造波動(dòng)力學(xué)：年創(chuàng)造波動(dòng)力學(xué)：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(jí)分布。其中 叫做波函數(shù)。( , )r t第28頁(yè)/

18、共40頁(yè)29 玻恩，玻恩，M.Born，18821970，德國(guó)理論物理學(xué)，德國(guó)理論物理學(xué)家。家。1954年年Nobel物理學(xué)物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。獎(jiǎng)獲得者。 5、玻恩對(duì)波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋、玻恩對(duì)波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋n 描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)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(shí)刻，時(shí)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(gè)粒子的概率，即找到一個(gè)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(xué)。第29頁(yè)/共40頁(yè)30光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn) 第30頁(yè)/共40頁(yè)31圖圖3.2.19 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)機(jī)槍機(jī)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(jī)槍和電子槍掃射雙縫分別用機(jī)槍和電子槍掃射雙縫第31頁(yè)/共40頁(yè)32電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)圖樣 世界十大最美麗的實(shí)驗(yàn)之榜首 第32頁(yè)/共40頁(yè)33電電子子雙雙縫縫干干涉涉實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 第33頁(yè)/共40頁(yè)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)