量子物理 市公開課獲獎?wù)n件

1、 量子物理研究對象改變引起危機 一系列重大試驗發(fā)覺無法用典型物理理論來解釋，迫使 物理學(xué)家跳出老式典型物理理論框架，最后造成了量子物理誕生！第1頁第1頁1 黑體輻射和普朗克能量子假說一. 基本概念1. 熱輻射比如：加熱鐵塊 第一章 波粒二象性輻射能量按頻率分布隨溫度而變電磁輻射溫度 電磁波短波成份2. 光譜輻射出射度 M 單位:W/(m2Hz)單位時間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出頻率在附近單位頻率間隔內(nèi)電磁波能量。開始發(fā)光暗紅橙色蘭白色 第2頁第2頁3.平衡熱輻射4. 試驗表明輻射能力越強物體，吸取能力也越強二. 黑體和黑體輻射基本規(guī)律1. 黑體能完全吸取各種波長電磁波而無反射物體，M 最大且只與溫度

2、相關(guān)而和材料及表面狀態(tài)無關(guān)物體輻射能量等于在同一時間內(nèi)所吸取能量，物體達(dá)到熱平衡，稱為平衡熱輻射。此時物體含有固定溫度。 第3頁第3頁2. 維恩設(shè)計黑體3. 維恩黑體輻射公式4. 瑞利金斯公式維恩公式瑞利金斯公式高頻符合試驗結(jié)果“紫外劫難”第4頁第4頁5. 普朗克公式在全波段與試驗結(jié)果驚人符合！普朗克假定（19）：h= 6.626075510 -34 Js 普朗克常數(shù)E = nh n0,1,2,3，諧振子以能量子發(fā)射或吸取能量“量子”概念提出獲19諾貝爾物理學(xué)獎能量量子化 (不連續(xù)) ! 第5頁第5頁6.由普朗克公式可導(dǎo)出兩條試驗定律 斯特藩玻爾茲曼定律 維恩位移定律 = 5.6710-8 W

3、/m2K4M黑體所有輻射出射度黑體輻射中，光譜輻射出射度最大光頻率隨溫度改變6000K4500K3000K測量高溫、遙感和紅外追蹤等物理基礎(chǔ)。第6頁第6頁 紅外輻射熱象圖 紅外夜視儀拍照片 煉鋼熱輻射第7頁第7頁 室溫下，反射光 1100K，本身輻射光一個黑白花盤子兩張照片第8頁第8頁2 光電效應(yīng)一. 光電效應(yīng)試驗1光電效應(yīng)光電子2試驗裝置光金屬發(fā)射電子：光電流KAGD光GV第9頁第9頁3. 試驗規(guī)律4.06.08.010.0(1014Hz)0.01.02.0Uc(V)CsNaCa2） Uc= K - U0與入射光頻率相關(guān)1）iim2im1I2I1(光強I2 I1)oU-Uc飽和光電流強度im

4、 入射光強與入射光強度無關(guān)第10頁第10頁3） 只有當(dāng)入射光頻率 v不小于一定頻率v0時，才會產(chǎn)生光電效應(yīng) 0 稱為截止頻率或紅限頻率4）光電效應(yīng)是瞬時發(fā)生只要入射光頻率 0，無論光多微弱， 從光照射陰極到光電子逸出，馳豫時間 不超出10-9s。第11頁第11頁二.典型物理學(xué)所碰到困難按照光典型電磁理論： 光波能量分布在波面上，陰極電子積 光波強度與頻率無關(guān)，電子吸取能量也與頻率無關(guān)，更不存在截止頻率！累能量需要一段時間，光電效應(yīng)不也許瞬時發(fā)生！第12頁第12頁 光量子含有“整體性” 電磁輻射由以光速c 運動局限于空間 某一小范圍光量子（光子）構(gòu)成，E = h1.愛因斯坦光量子假設(shè)(1905)

5、2. 對光電效應(yīng)解釋逸出功A電子逸出金屬表面克服阻力所需功三.愛因斯坦光量子論第13頁第13頁當(dāng) A/h時，不發(fā)生光電效應(yīng)。紅限頻率光電效應(yīng)方程四.光波粒二象性1. 近代認(rèn)為光含有波粒二象性在有些情況下，光突出顯示出波動性；而在另一些情況下，則突出顯示出粒子性。光電效應(yīng)瞬時性第14頁第14頁第15頁第15頁2. 基本關(guān)系式粒子性：能量E ，動量P，質(zhì)量m波動性：波長 ，頻率光子描述光性質(zhì)基本關(guān)系式第16頁第16頁例圖中所表示為在一次光電效應(yīng)試驗中得出曲線 （1）由圖中數(shù)據(jù)求出普朗克恒量 。 （2）該金屬光電效應(yīng)紅限頻率。第17頁第17頁光電管陰極用逸出功A=2.2 eV金屬制成，今用一單色光照

6、射此光電管，陰極發(fā)射出光電子，測得截止電壓為5 V，求：（1）光電管陰極金屬光電效應(yīng)紅限波長？（2）入射光波長？（普朗克恒量 ）基本電荷第18頁第18頁3 . 康普頓散射1. 康普頓研究X射線在石墨上散射準(zhǔn)直系統(tǒng)入射光 0 散射光探測器石墨散射體散射X射線中有波長變大現(xiàn)象2. 康普頓解釋 X射線光子與“靜止”“自由電子”彈性碰撞 碰撞過程中能量與動量守恒反沖電子第19頁第19頁波長偏移電子康普頓波長3. 康普頓散射試驗意義過程討論：光子將一部分能量傳給電子，變小，增長 一部分光子波長不變，稱為瑞利散射 證實了光波粒二象性 光子與粒子作用過程嚴(yán)格遵守動量、能量守恒X射線康普頓效應(yīng)明顯第20頁第2

7、0頁例:波長00.01nmX射線與靜止自由電子碰撞。在與入射方向成90角方向上觀測時，散射X射線波長多大？反沖電子動能和動量各如何？ 1. 2. 3.反沖電子取得最大動能？第21頁第21頁光子能量為0.5MeVX射線，入射到某種物質(zhì)上而發(fā)生康普頓散射，若反沖電子動能為0.1MeV，則散射光波長改變量與入射光波長之比為？P174 選擇題1第22頁第22頁光波粒二象性光子光波能量E動量P頻率n波長lE=h nP=h/ l4 粒子波動性一. 德布羅意假設(shè)實物粒子含有波動性光(波)含有粒子性粒子粒子波能量Emc2動量P=mv頻率nmc2/h波長l=h/P=h/mv與粒子相聯(lián)系波稱為物質(zhì)波或德布羅意波德

8、布羅意公式l：德布羅意波長量子力學(xué)基礎(chǔ)就是波粒二象性思想第23頁第23頁二試驗驗證電子通過鎳單晶衍射試驗1.1927年，戴維遜和革末試驗dq德布羅意波長 l1.671010 m與試驗結(jié)果相符第24頁第24頁電子通過多晶薄膜衍射試驗電子單縫、雙縫、三縫和四縫衍射試驗2.1927年G.P湯姆遜試驗3.1961年約恩遜多晶薄膜電子束1937年戴維遜革末和G.P湯姆遜取得諾貝爾獎1929年德布羅意因其博士論文取得諾貝爾物理學(xué)獎第25頁第25頁4. 中子、質(zhì)子等微觀粒子也含有波粒二象 性，德布羅意公式也合用。例: 計算電子通過U1=100V和U2=10000V電壓加速后德布羅意波長1和2各是多少？解：電

9、子動能為第26頁第26頁假如電子運動速度與光速能夠比擬，則當(dāng)電子動能等于它靜止能量2倍時，其德布羅意波長為多少？ (普朗克常量h =6.6310-34 Js，電子靜止質(zhì)量me=9.1110-31 kg)第27頁第27頁練習(xí)1. 求動能為1.00105ev電子德布羅意波長。 （me=9.11 10-31Kg）練習(xí)2. 中子德布羅意波長為1A，求其速度和動能。 （m中子=1.675 10-27Kg）例1.5 m=0.01kg，v=300m/s子彈？h極其微小，宏觀物體波長小得試驗難以測量“宏觀物體只表現(xiàn)出粒子性”第28頁第28頁一. 關(guān)于粒子波粒二象性德布羅意波本質(zhì)是什么？6 概率波與概率幅1.在

10、典型物理中粒子：“顆粒性”集中于一點（整體性），擬定位置、速度、運動軌跡。波：某種實在物理量空間分布在作周期性改變(連續(xù)性，擴展于空間)統(tǒng)一起來？第29頁第29頁2.“波是由粒子構(gòu)成”認(rèn)為波是大量粒子構(gòu)成；波動性是大量粒子互相作用而形成， 但這和單個粒子就含有波動性相矛盾。一、歷史上兩種典型見解把微觀粒子看作是典型粒子和典型波混合體。1.“粒子是由波構(gòu)成”把粒子看作是由諸多波構(gòu)成波包，但波包在媒質(zhì)中要擴散、消失(和粒子性矛盾)。第30頁第30頁物質(zhì)波：描述粒子在各處被發(fā)覺概率二、概率波1.概率波 對光輻射(電磁波)，愛因斯坦19波動觀點：光強E2粒子觀點：光強 某處光子數(shù) E2 某處發(fā)覺一個光

11、子概率 玻恩1926年提出德布羅意波是概率波第31頁第31頁對機械波有物質(zhì)波波函數(shù)：2.波函數(shù)量子力學(xué)中引入波函數(shù)定義：時刻t，在點（x,y,z)附近單位體積內(nèi)發(fā)覺粒子概率概率密度概率幅波函數(shù)稱為概率幅物質(zhì)波強度也應(yīng)與波函數(shù)中振幅平方成正比粒子到達(dá)該處概率第32頁第32頁3. 電子雙縫衍射現(xiàn)象12 單個電子去向是概率性，但在一定條件下 （如雙縫），又有擬定規(guī)律.微觀粒子相應(yīng)物質(zhì)波不是典型波是概率波明紋處：電子到達(dá)數(shù)量多（對大量粒子）粒子到達(dá)該處概率大物質(zhì)波本質(zhì)：描述粒子在空間出現(xiàn)概率第33頁第33頁70000個起源于“一個電子”所含有波動性，而不是電子間互相作用結(jié)果。 若使一個電子重復(fù)多次通過

12、縫，會出現(xiàn)相同衍射圖樣。第34頁第34頁子彈對雙縫亂射，觀測屏上槍眼強度分布。兩縫都打開時強度分布是兩縫分別打 開時強度直接相加 n12 = n1 + n2 無干涉現(xiàn)象。機槍雙縫試驗12電子雙縫衍射現(xiàn)象微觀粒子不是典型粒子！第35頁第35頁4.概率幅疊加1 縫單獨開：2 縫單獨開：應(yīng)為概率幅疊加交叉項即為干涉項1、2 都開：物質(zhì)波干涉，是由于概率幅線性疊加產(chǎn)生。微觀粒子物質(zhì)波是一個幾率波，這種幾率仿佛一只無形手控制著電子出現(xiàn)在空間某一位置幾率。第36頁第36頁 5. 波函數(shù)統(tǒng)計詮釋涉及對世界本質(zhì)結(jié)識爭論至今未息哥本哈根學(xué)派：愛因斯坦狄拉克概率波哲學(xué)意義： 在已知給定條件下，不也許準(zhǔn)確地預(yù)知結(jié)果

13、，只能預(yù)言一些也許結(jié)果概率。即沒有嚴(yán)格因果關(guān)系！波恩、海森堡粒子波概率性就是自然界最后本質(zhì)德布羅意“上帝是不會跟宇宙玩擲骰子游戲”最后解釋應(yīng)當(dāng)是一些變量完全擬定數(shù)值演變結(jié)果第37頁第37頁7 不擬定性關(guān)系典型力學(xué)中：位置、動量能夠同時準(zhǔn)確擬定量子概念下：由于概率性，粒子不再含有擬定位置xZqa 位置不擬定 xa 動量不擬定 px psinq 由 = h/ p 得x pxh從而也就不含有擬定動量電子單縫衍射中位置與動量：縫寬a越小，中央明紋分布越寬x sinx 越小， px越大 x越大， px越小第38頁第38頁2.位置和動量不擬定關(guān)系：1927年海森堡提出不擬定關(guān)系,1932年獲諾貝爾獎假如測

14、量一個粒子位置不擬定范圍是x ，則同時測量其動量也有一個不擬定范圍px，且滿足:不擬定性關(guān)系是物體固有性質(zhì)，自然界主線屬性3.能量和時間不擬定關(guān)系：基態(tài)能級最穩(wěn)定，時間長，測得E準(zhǔn)，相應(yīng)能級窄；激發(fā)態(tài)時間短，易躍遷，能級寬。不能同時準(zhǔn)確測量粒子位置和動量第39頁第39頁例1.8 原子線度為1010 m，求原子中電子速度 不擬定量。例1.7 設(shè)子彈質(zhì)量為0.01kg，槍口直徑為0.5cm，試用不擬定性關(guān)系計算子彈射出槍口時橫向速度。第40頁第40頁練習(xí)：同時測量動能為1Kev做一維運動電子位置與動量時，若位置不擬定值在0.1nm內(nèi)，則動量不擬定值百分比 p/p至少為何值？（me=9.1110-31Kg 1ev=1.6 10-19J h=6.63 10-34Js）第41頁第41頁典例3：光子波長為3000假如擬定此波長準(zhǔn)確度為/=10-5，試求此光子位置不擬定量。 第42頁第42頁典例3：已知電子德布羅意波長與光子波長相同。 （1）它們動量大小是否相同？ （2）它們總能量是否相同？（1）（2）而相同，故p