早期量子論課件

1、關(guān)于早期量子論第一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月量子力學(xué)的誕生與發(fā)展普朗克能量子假說愛因斯坦光量子假說1918 Nobel Price1921Nobel Price1922Nobel Price康普頓康普頓效應(yīng) 量子概念的形成玻爾原子結(jié)構(gòu)1927Nobel Price第二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月量子力學(xué)的誕生海森堡創(chuàng)立量子力學(xué)1932 Nobel Price1933 Nobel Price薛定諤、狄拉克引入量子力學(xué)波動方程波恩統(tǒng)計解釋1954 Nobel Price第三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月愛因斯坦朗之萬洛侖茲居里夫人普朗克德拜埃倫費斯特布喇格

2、狄拉克薛定諤康普頓泡利海森堡玻爾玻恩1927年第五屆索爾維會議（29人中先后獲諾獎17人）第四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第14章 早期量子論第15章 量子力學(xué)基礎(chǔ)第16章 半導(dǎo)體和激光簡介第六篇 量子物理第17章 原子核物理簡介(重點)第五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第六篇量子物理第14章 早期量子論第六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第14章 早期量子論 The early Quantum Theory第1節(jié) 黑體輻射 普朗克能量子第2節(jié) 光電效應(yīng)第3節(jié) 康普頓效應(yīng)第4節(jié) 玻爾量子理論第七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月一、熱輻射 1熱輻射

3、實驗證明不同溫度下物體能發(fā)出不同的電磁波，這種能量按波長（或頻率）的分布隨溫度而不同的電磁輻射叫做熱輻射. 2單色輻射出射度 單位時間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的波長在 附近單位波長區(qū)間（或頻率在 附近單位頻率區(qū)間）的電磁波的能量 .單色輻射出射度 ，單位： M(T)是輻射體的輻射波長 和熱力學(xué)溫度 T 的函數(shù)，且與物體的材料及表面粗糙程度有關(guān)第1節(jié) 黑體輻射 普朗克能量子Radiation of Black Body Quantum Theory of Planck第八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 輻射出射度(輻出度) 在單位時間內(nèi)，從溫度為T 的物體表面上，單位面積所發(fā)射的各

4、種波長（或各種頻率）的電磁波的能量總和.單位：實驗表明 輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng). 4. 黑體 能完全吸收照射到它上面的各種波長的電磁輻射而不反射的物體稱為黑體。2000K1750K1500K第九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月理想模型黑體的輻射第十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月0 1000 20001.00.5 可見光區(qū)3000K6000K1. 斯特藩玻爾茲曼定律斯特藩玻爾茲曼常量2. 維恩位移定律常量峰值波長二、黑體輻射定律第十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 例1 太陽的單色輻出度的峰值波 ，試由此估算太陽表面的溫度.解：由維恩位移定律 對宇

5、宙中其他發(fā)光星體的表面溫度也可用這種方法進(jìn)行推測第十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 經(jīng)典物理論的“紫外災(zāi)難”（2）瑞利-瓊斯 用能量均分定理和電磁理論得出：T=1646 K只適于長波（1）維恩( Wien ) 根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出：短波“紫外災(zāi)難”只適于短波在黑體輻射研究中經(jīng)典物理面臨不可克服的困難 !實測瑞利-瓊斯維恩理論值第十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月三、普朗克假設(shè) 普朗克公式1. 普朗克的能量子假說 =h h=6.6261761034 Js 普朗克常數(shù)(1) 組成黑體腔壁的分子或原子視為帶電的線性諧振子 (2) 這些諧振子和空腔中的輻射場相互作用過程中吸

6、收 和發(fā)射的能量是量子化的，只能取一些分立值： ，2， 3， ，n(3) 頻率為 的諧振子，吸收和發(fā)射能量的最小值稱 為能量子簡稱量子 2. 普朗克黑體輻射公式在全波段與實驗結(jié)果驚人符合!第十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月第2節(jié) 光電效應(yīng) Photoelectric Effect一、光電效應(yīng)實驗1. 實驗裝置見右圖2. 實驗規(guī)律(2) 飽和光電流強(qiáng)度與入射 光強(qiáng)度成正比；(1) 對一定光強(qiáng)，光電流強(qiáng)度i 隨電壓 U 增加；(3) i=0 時 U= Ua , Ua : 遏止電壓；VGAK光電流隨U 增加第十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(5) 光電子的初動能與入射光強(qiáng)

7、度無關(guān)，而隨入射光 的頻率線性增加。只有當(dāng)入射光頻率大于一定 的頻率0（紅限頻率）時，才會產(chǎn)生光電效應(yīng)。(4) 遏止電壓的大小反映光電子初動能的大小, 光電子的最大初動能為：(6) 光電效應(yīng)具有瞬時性， 響應(yīng)速度很快, 延遲 時間不超過109 s。相同頻率不同入射光強(qiáng)度第十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 光波是連續(xù)傳播的，只要入射光有足夠的強(qiáng)度，任何頻率的入射光都應(yīng)產(chǎn)生光電效應(yīng)。3. 經(jīng)典理論的解釋極其困難按照光的經(jīng)典電磁理論： 光電子的最大初動能應(yīng)決定與入射光的強(qiáng)度而不是頻率。 光電子需吸收一定的能量才能逸出金屬表面， （陰極電子積累能量克服逸出功需要一段時間），光電效應(yīng)不可能

8、瞬時發(fā)生！第十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、光子 愛因斯坦光電方程 愛因斯坦在能量子假說的基礎(chǔ)上提出光子理論： 一束光，是一束以光速 運動的粒子流，這些粒子稱為光量子(光子)。光的能量不是均勻地分布在波陣面上，而是集中在微粒上每個頻率為 的單個光子的能量為： =h1. 光子光量子具有“整體性”2. 光子假說對光電效應(yīng)的解釋（1）入射光強(qiáng)度越大，光子數(shù)越多，光子與電子相互作用的數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)目多 飽和光電流與入射光強(qiáng)度成正比。第十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3） 當(dāng)光照射金屬時，電子吸收能量是一次性的， 不需要能量積累，電子逸出是瞬間，無時間延遲。所

9、以當(dāng) 0 的射線；(2) 散射光波長的改變量 0 隨散射角 的增加而增加；(3) 對同一散射角 ，波長的增加 量 相同，與散射物質(zhì)無關(guān)；(4) 康普頓散射的強(qiáng)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(波強(qiáng))較強(qiáng)， 反之康普頓散射(波強(qiáng))較弱。I=0I =45I =90I =1350第二十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、康普頓散射的理論解釋系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動量守恒：其中X射線光子與“靜止”的“自由電子”彈性碰撞 由于物質(zhì)中的外層電子的動能遠(yuǎn)小于入射光子的動能，碰撞前電子可以看作是靜止的。碰撞過程中，光子的一部分能量傳遞給電子，能量減小，頻率減小，因而波長增大。第二十

10、四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月相對論能量和動量關(guān)系（3）將(3)式代入(1)式得（4）將(2)式平方減去(4)式得能量守恒變形（2）應(yīng)用余弦定理（1）第二十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月Compton波長1 只與散射角 有關(guān), , ； 康普頓公式 結(jié)論：但散射效應(yīng)的強(qiáng)弱與散射物質(zhì)有關(guān)？2 與入射波長0無關(guān)；3 與散射物質(zhì)無關(guān)；第二十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月1 康普頓散射進(jìn)一步證實了光具有波粒二象性， 證明了光子能量、動量表示式的正確性。 2 另外證明在光電相互作用的過程中嚴(yán)格遵守能 量、動量守恒定律。 所以X 射線光子與束縛很緊的電子碰撞: 光子

11、與內(nèi)層電子的碰撞可看作是與原子的碰撞。由于原子的質(zhì)量遠(yuǎn)大于光子，碰撞過程中光子的能量幾乎不變，因而波長保持不變。 意義：第二十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月光子電子康普頓效應(yīng)？光電效應(yīng)？第二十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)的異同 康普頓效應(yīng)與光電效應(yīng)都涉及光子與電子的相互作用。 在光電效應(yīng)中，入射光為可見光或紫外線，其光子能量為eV數(shù)量級, 與原子中電子的束縛能相差不遠(yuǎn)，光子能量全部交給電子使之逸出，并具有初動能。光電效應(yīng)證實了此過程服從能量守恒定律。 在康普頓效應(yīng)中，入射光為X射線或 射線，光子能量為10 eV數(shù)量級甚至更高, 遠(yuǎn)大于散射物質(zhì)中

12、電子的束縛能, 原子中的外層的電子可視為自由電子，光子能量只被自由電子吸收了一部分并發(fā)生散射。康普頓效應(yīng)證實了此過程可視為彈性碰撞過程，能量、動量均守恒，更有力地證實了光的粒子性。4第二十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 用波長為 200 nm 的光照射鋁（Al 的 截止頻率為 9.031014Hz），能否產(chǎn)生光電效應(yīng)？能否觀察到康普頓效應(yīng)（假定所用的儀器不能分辨出小于入射波長的千分之一的波長偏移）？解法提要例2rl2sinlc22j0.00243 ( nm )80j1時（逆向散射）rlrlmaxrlmax2lc20.00486 ( nm )rlmaxl00.00486 nm 20

13、0 nm0.00002430.001觀察不到康普頓效應(yīng)8cln310（ 20010 ）91.510 (Hz) 15 可產(chǎn)生光電效應(yīng)截止頻率第三十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 例3 波長為 0.2 nm 的X射線射到碳塊上，由于康普頓散射 ，頻率改變 0.04。求：（1）該光子的散射角；（2）反沖電子的動能。解：（1）（2）0 0.04%第三十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 一、氫原子光譜的規(guī)律性光譜特點：1 每一譜線有確定位置, 對應(yīng)一定波長值;第4節(jié) 玻爾量子理論 Bohrs Quantum Theory2 兩譜線的間距, 即波長差是確定的;3 譜線間距的大小沿短

14、波方向遞減。第三十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 1885 年瑞士數(shù)學(xué)家巴耳末發(fā)現(xiàn)氫原子光譜可見光部分的規(guī)律 1890 年瑞典物理學(xué)家里德伯給出氫原子光譜公式波數(shù) 1. 巴爾末(J.J.Balmer)系及公式里德伯常量 第三十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 廣義的巴爾末公式：(氫原子光譜的其它線系)原子具有線光譜；實驗表明： 各譜線間具有一定的關(guān)系； 每一譜線的波數(shù)都可表達(dá)為兩個光譜項之差。其中：和稱為光譜項波數(shù) 當(dāng) k 一定時，由不同的 n 構(gòu)成一個譜線系；不同的 k 構(gòu)成不同的譜線系。第三十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月巴耳末系可見光賴 曼 系

15、紫外(1914)帕 邢 系布喇開系普芳德系漢弗萊系紅外(1908)(1922)(1924)第三十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月二、玻爾的基本假設(shè)1. 原子的有核模型盧瑟福原子 粒子是二次電離的氦原子。1014 m 1911年盧瑟福提出了原子的核型模型：原子中心是一個帶正電的半徑約1014 m左右的原子核，集中了原子大部分的質(zhì)量，電子在閉合軌道上繞核旋轉(zhuǎn)著。第三十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月輻射電磁波E，r與實驗相矛盾?+2. 經(jīng)典模型與光譜規(guī)律之間的矛盾有核模型原子發(fā)出的是連續(xù)光譜? 電子作變速運動，其能量以電磁波的形式向外輻射，能量逐漸減少，軌道半徑越來越小，電

16、子最終將落到原子核上，而不可能穩(wěn)定繞核運動。第三十七張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月玻爾玻爾Niels Henrik Darid BohrNiels Henrik Darid Bohr1885-19621885-1962 1913年玻爾將普朗克、愛因斯坦的量子理論推廣到盧瑟福的原子有核模型中，并結(jié)合原子光譜的實驗規(guī)律，提出他的氫原子理論，奠定了原子結(jié)構(gòu)的量子理論基礎(chǔ)。為此他獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎。 第三十八張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 玻爾是盧瑟福的學(xué)生，在其影響下具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，勤奮好學(xué)，平易近人，后來很多的科學(xué)家都有紛紛來到他身邊工作。當(dāng)有人問他，為什么能

17、吸引那么多科學(xué)家來到他身邊工作時，他回答說：“因為我不怕在青年面前暴露自已的愚蠢”。這種坦率和實事求是的態(tài)度是使當(dāng)時他領(lǐng)導(dǎo)的哥本哈根理論研究所永遠(yuǎn)充滿活力，興旺發(fā)達(dá)的原因。愛因斯坦評價說：“作為一個科學(xué)的思想家玻爾具有那么驚人的吸引力；在于他具有大膽和謙遜兩種品德難得的結(jié)合”玻爾其人第三十九張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月廣義的巴爾末公式：光子的能量=能量之差。 不連續(xù)的值1913年 哲學(xué)雜志 原子構(gòu)造與分子構(gòu)造質(zhì)疑原子的穩(wěn)定性問題(模型)？原子分立的線狀光譜？3. 原子內(nèi)部特殊本質(zhì)的分析第四十張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月(1) 定態(tài)假設(shè)：原子存在著一系列具有確定能量的

18、穩(wěn)定狀態(tài)(定態(tài))，處于定態(tài)的原子不輻射能量。原子處于一系列不連續(xù)的穩(wěn)定態(tài):(3) 軌道角動量量子化條件(2) 躍遷假設(shè) (頻率假設(shè))：原子從一個定態(tài)(En)躍遷到另一個定態(tài)(Ek)時，會發(fā)射或吸收一個頻率為 的光子，光子頻率：電子的軌道角動量為4. 玻爾的基本假設(shè)玻爾原子模型滿足該條件的運動軌道才是穩(wěn)定的。第四十一張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月軌道半徑是量子化的！1. 氫原子的軌道半徑、軌道速度與軌道能量電子運動的能量:三、玻爾對氫原子的成功解釋軌道速度是量子化的！軌道能量是量子化的！第四十二張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 里德伯常數(shù)的理論值 當(dāng)原子由較高能級En躍

19、遷到較低能級Ek時，會發(fā)射一個光子，其頻率為：廣義的巴爾末公式！由此公式計算出的里德伯常數(shù)與實驗值完全符合令得實驗值每一個光譜項都對應(yīng)一個確定能級:第四十三張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月其它可能的軌道:第一玻爾軌道半徑n=1, r1= 0.053 nm光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)3. 氫原子結(jié)構(gòu)的定量研究 原子線度能級與能級圖在r1的軌道上的速度: （1）氫原子中電子運動的速度電子運動的速度:第四十四張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月 電子在半徑為rn 的軌道上運動時，原子系統(tǒng)的總能量是： （第一玻爾軌道）激發(fā)態(tài)基態(tài)能量（2）氫原子的能量第四十五張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月345 一個能級將對應(yīng)一條圓軌道!第四十六張，PPT共五十一頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）能級圖 氫原子能級圖 因能級不連續(xù)，所以不連續(xù)。不同的 對應(yīng)不同的譜線。賴曼系(紫外區(qū))巴耳末(可見光區(qū))帕邢系(紅外區(qū)) 每