20142015春課件文科物理

第7章量子物理學(xué)引言十九世紀末，經(jīng)典物理已相當成熟，對物理現(xiàn)象本質(zhì)的認識似乎已經(jīng)完成。開爾文：在物理學(xué)晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏云。跳出傳統(tǒng)的物理學(xué)框架！邁克耳遜-莫雷實驗黑體輻射（紫外災(zāi)難）尋找以太的零結(jié)果相對論熱輻射的紫外災(zāi)難量子論前言

量子概念是1900年普朗克首先提出的,經(jīng)過愛因斯坦、波爾、德布羅意、薛定諤等人的努力,于20世紀30年代,建立了量子力學(xué),這是關(guān)于微觀世界的理論,和相對論一起,構(gòu)成近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。

十九世紀末,經(jīng)典物理(力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計物理)已相當成熟,對物理現(xiàn)象本質(zhì)的認識似乎已經(jīng)完成。當研究的觸角進入到“微觀粒子”尺度時,一系列實驗發(fā)現(xiàn)(如后邊將提到的黑體輻射、光電效應(yīng)等實驗)都是無法用經(jīng)典物理學(xué)解釋的。這迫使人們跳出傳統(tǒng)的物理學(xué)框架,去尋找新的解決途徑,從而導(dǎo)致了量子理論的誕生。十九世紀末期，物理學(xué)的經(jīng)典理論已經(jīng)基本完善了。開耳文也說：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只需要做一些零星的修補工作就行了”。麥克斯韋：“在幾年中，所有重要的物理常數(shù)將被近似估算出來，給科學(xué)界人士留下來的只是提高這些常數(shù)的觀察值的精度”。開耳文接著又指出：“但是在物理晴朗天空的遠處，還有兩朵小小令人不安的烏云”。事實上還有第三朵小小的烏云：放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。所有這些實驗結(jié)果都是經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的。在二十世紀初期，建立起了近代物理的兩大支柱：相對論和量子論。經(jīng)典物理的困難經(jīng)典物理給我們提供了兩個運動特征不相容的兩類物理體系：實物粒子和相互作用場（波）。實物粒子的運動特征：定域。相互作用場（波）的運動特征：非定域。經(jīng)典物理在解析微觀領(lǐng)域時將遇到問題：黑體輻射：經(jīng)典物理關(guān)于熱輻射的能量連續(xù)變化的概念不能解釋黑體輻射的能譜；光電效應(yīng)：光的波動說不能解釋類似光電效應(yīng)這類光與物質(zhì)相互作用的問題；原子結(jié)構(gòu)和光譜：經(jīng)典物理學(xué)不能給出原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，也不能說明原子光譜的規(guī)律。早期量子論普朗克能量量子化假說愛因斯坦光子假說康普頓效應(yīng)玻爾的氫原子理論量子力學(xué)德布羅意波薛定諤方程波恩的物質(zhì)波統(tǒng)計解釋海森伯的測不準關(guān)系相對論量子力學(xué)狄拉克把量子力學(xué)與狹義相對論相結(jié)合MaxPlanck(1858-1947)

NobelPrize1918AlbertEinstein(1879-1955)

NobelPrize1921NielsBohr(1885-1962)

NobelPrize1922WernerHeisenberg(1901-1976)NobelPrize1932

wavefunctionformulationofquantummechanicsErwinSchr?dinger(1887-1961)NobelPrize1933

1923DeBroglie(age31)matterhaswavepropertiesLouisdeBroglie(1892-1987)

NobelPrize1929

1926Schr?dinger(age39)Schr?dingerequationPaulDirac(1902-1984)NobelPrize19331925Pauli(age25)

PauliexclusionprincipleWolfgangPauli(1900-1958)NobelPrize1945

1928Dirac(age26)Diracequation(quantum+relativity)1927SolvayConferenceHeldinBelgiumtheconferencewasattendedbytheworld'smostnotablephysiciststodiscussthenewlyformulatedquantumtheory.STMImageXenononNickel(110)熱輻射(heatradiation)分子的熱運動使物體輻射電磁波熱輻射特征:溫度

發(fā)射的能量

電磁波的短波成分例如:火焰溫度平衡熱輻射:物體輻射的能量等于在同一時間內(nèi)所吸收的能量(3)物體熱輻射的本領(lǐng)用輻射出射度(radiantexitance),簡稱輻出度來描述?；馉t600度1000度400度火的外焰溫度高還是內(nèi)焰溫度高？焰通常從外到內(nèi)分為三層：外焰：可燃氣體與空氣接觸、混合、充分燃燒，溫度最高，但不明亮，呈淡藍色。內(nèi)焰：可燃氣體不完全燃燒，伴有炭粒形成的部分，明亮、橙黃色，溫度稍次于外焰。焰心：可燃物質(zhì)受熱分解、蒸發(fā)、熔融氣化而未燃燒的部分，暗區(qū)，溫度最低。內(nèi)焰缺少氧氣，溫度沒有外焰高。黑體輻射-----經(jīng)典物理災(zāi)難的來臨1.熱輻射現(xiàn)象任何物體在任何溫度下都要發(fā)射各種波長的電磁波，并且其輻射能量的大小及輻射能量按波長的分布都與溫度有關(guān)。物體在任何溫度下都會輻射能量。注意：物體既會輻射能量，也會吸收能量。輻射和吸收的能量恰相等時稱為熱平衡。此時溫度恒定不變。這種由于物體中的分子、原子的熱運動而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。2.幾個物理量：單色輻出度e

：從物體表面單位面積上發(fā)射出的，波長介于~+d之間的輻射功率dE與d的比值。

意義：在一定溫度T下，單位時間內(nèi)從物體表面單位面積上波長在附近單位波長間隔內(nèi)輻射出的能量。e是溫度T和波長的函數(shù)，常寫成e(,T)

。輻出度E(T)：物體表面單位面積發(fā)射的包含各種波長在內(nèi)的輻射總功率。

輻出度E(T)僅是溫度的函數(shù)。意義：在溫度T

時單位時間、單位面積整個波長范圍內(nèi)輻射出的能量。單色吸收率(,T)

：波長在~

＋d范圍內(nèi)的吸收率稱為單色吸收率。吸收率：當輻射從外界入射到物體表面時，被物體吸收的能量與入射能量的比值?；鶢柣舴蚨桑涸跓崞胶庀?，物體的單色輻出度與單色吸收率的比值與物體的性質(zhì)無關(guān)，對于所有物體，這個比值是波長和溫度的普適函數(shù)?；鶢柣舴蚨桑涸跓崞胶庀?，物體的單色輻出度與單色吸收率的比值與物體的性質(zhì)無關(guān)，對于所有物體，這個比值是波長和溫度的普適函數(shù)。結(jié)論：好的吸收體也是好的輻射體。3.黑體黑體：能夠完全吸收外來輻射而沒有反射的物體。黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體?？砂岩粋€開小孔的不透光空腔看成黑體。如遠處不點燈的建筑物。4.黑體輻射實驗中將開有小孔的空腔視為黑體，使其恒溫。結(jié)論：每一條曲線都有一個極大值。隨著溫度的升高，黑體的單色輻出度迅速增大，并且曲線的極大值逐漸向短波方向移動。實驗裝置實驗T=1646k維恩根據(jù)經(jīng)典熱力學(xué)得出一個半經(jīng)驗公式：維恩公式

維恩公式在短波部分與實驗結(jié)果吻合得很好，但長波卻不行。瑞利和瓊斯用能量均分定理和電磁理論得出瑞利—瓊斯公式瑞利—瓊斯公式在長波部分與實驗結(jié)果吻合，但在紫外區(qū)的單色輻出度為無窮大。維恩瑞利-瓊斯式中c1，c2為常量。式中c為光速。實驗T=1646k維恩瑞利-瓊斯量子論的誕生普朗克的能量子理論1.能量子假設(shè)1900年普朗克用內(nèi)插法得到了普朗克公式：普朗克常數(shù)這個公式與實驗結(jié)果相符合。普朗克理論值波長形式：頻率形式：普朗克公式的得出，是理論和實驗結(jié)合的典范。打破“一切自然過程能量都是連續(xù)的”經(jīng)典看法。敲開量子力學(xué)的大門。普朗克獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎.普朗克的能量子假設(shè)：=h稱為能量子，n稱為量子數(shù)。金屬空腔壁中電子的振動可視為一維諧振子。這些振子可以吸收或輻射能量。對頻率為的諧振子，其吸收或輻射的能量是不連續(xù)的，只能取某一最小能量h的整數(shù)倍。在這一假設(shè)基礎(chǔ)上，運用經(jīng)典的統(tǒng)計物理方法就可推出普朗克黑體輻射公式。能量子假設(shè)對于經(jīng)典物理來說是離經(jīng)叛道的，就連普朗克本人當時都覺得難以置信。為回到經(jīng)典的理論體系，在一段時間內(nèi)他總想用能量的連續(xù)性來解決黑體輻射問題，但都沒有成功。光電效應(yīng)陽極陰極石英窗光電效應(yīng)：當一束光照射在金屬表面上時，金屬表面會有電子逸出的現(xiàn)象。逸出的電子稱為光電子。光電效應(yīng)實驗當K、A間加反向電壓，光電子克服電場力作功，當電壓達到某一值UC時，光電流恰為零。UC稱反向遏止電壓。遏止電壓的大小反映光電子初動能的大小。光電效應(yīng)實驗的結(jié)果：1.存在截止頻率（又稱紅限）0。當入射光的頻率

大于截止頻率0時，才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；反之，無論入射光的強度多大，都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。不同材料的截止頻率不同。2.在入射光頻率不變時，飽和光電流隨入射光強度I增加而增大；3.遏止電壓與入射光強度無關(guān)，但與入射光的頻率成正比。4.光電效應(yīng)具有瞬時響應(yīng)特性(t<10-9s)。且這種瞬間響應(yīng)與入射光的強度無關(guān)。

經(jīng)典理論無法解釋光電效應(yīng)的上述規(guī)律。3.按經(jīng)典波動理論電子吸收入射光能量積累到一定程度才可逸出金屬表面,事實上，無論入射光強多弱只要

>0光電子立即逸出。2.按經(jīng)典波動理論只要入射光強足夠大就可產(chǎn)生光電效應(yīng),但<0時,無論入射光強多強也沒有光電效應(yīng)。某種金屬在一束綠光照射下有電子逸出,在下述兩種情況中逸出的電子會發(fā)生怎樣的變化?(1)再多用一束綠光照射,(2)用一束強度相同的紫光代替之。經(jīng)典物理遇到的困難1.按經(jīng)典波動理論光電子初動能決定于入射光強,事實上,光電子初動能與入射光強無關(guān)。愛因斯坦光子假設(shè)和愛因斯坦方程1.愛因斯坦的光子假設(shè)光不僅在發(fā)射和吸收時,而且在傳播過程中都具有粒子性,一束光就是以光速傳播的粒子流,這些粒子稱為光量子簡稱光子(photon)。單個光子能量:愛因斯坦(EinsteinA.,1879-1955)光的強度(I):單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位面積的光能量稱為單色光的強度。N—單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的光子數(shù)愛因斯坦的光電效應(yīng)方程愛因斯坦在普朗克能量子假設(shè)的基礎(chǔ)上進一步提出了光子假設(shè)：光不僅在發(fā)射和吸收時以能量為h的微粒形式出現(xiàn)，而且在空間傳播時也是如此。頻率為的光是由大量能量為=h光子組成的粒子流，這些光子沿光的傳播方向以光速c運動。光子的能量：愛因斯坦光電效應(yīng)方程：式中：A為電子逸出金屬表面所需做的功，稱為逸出功；為光電子的最大初動能。愛因斯坦對光電效應(yīng)的實驗解釋：1.入射光的強度I取決于單位時間內(nèi)垂直通過單位面積的光子數(shù)n。入射光較強時，含有的光子數(shù)較多，所以獲得能量而逸出的電子數(shù)也多，飽和電流自然也就大。2.當h<A時，電子無法獲得足夠能量脫離金屬表面，因此存在紅限0。不同金屬具有不同的截止頻率。4.入射光中光子的能量被金屬表面的電子一次吸收，因此具有瞬時性。初動能及反向遏止電壓與成正比，而與光強無關(guān)。3.根據(jù)光子能量：光子的質(zhì)量：光子的動量：光子的質(zhì)量、能量和動量康普頓散射是光顯示出其粒子性的又一著名實驗?？灯疹D效應(yīng)1923年，康普頓研究X射線與石墨的散射,進一步證實了愛因斯坦的光子概念?？灯疹D于1927年獲諾貝爾物理獎?？灯疹D與我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)康普頓效應(yīng)(Compton’seffect)一、實驗裝置二、康普頓效應(yīng)(1923年)2.原子量小:康普頓效應(yīng)較強原子量大:康普頓效應(yīng)較弱實驗發(fā)現(xiàn):在散射的X射線中,有與入射線波長0相同的成份,也有波長>0的散射線?？灯疹D(ComptonA.H.,1892-1962)NobelPrize1927實驗結(jié)果:1.波長改變量(=–

0)與散射角有關(guān),與0和散射物質(zhì)無關(guān)石墨散射體入射光0探測器散射光準直系統(tǒng)θ相當于光子與整個原子的碰撞,由于原子質(zhì)量比光子質(zhì)量大很多,碰后光子不會顯著地失去能量。E不變不變∴不變光電效應(yīng):光子能量與電子的束縛能在同一數(shù)量級上;光子與電子作完全非彈性碰撞。康普頓效應(yīng):光子能量遠大于電子的束縛能;光子與電子作完全彈性碰撞。2.光子與原子中束縛很緊的電子相碰撞:四、Compton實驗的意義1)證實了光子理論,說明光子具有質(zhì)量、能量、動量。2)微觀領(lǐng)域內(nèi),同樣嚴格遵守動量和能量守恒。∴=0光的波粒二象性(lightwave-particleduality)兩種圖像不會同時出現(xiàn)在你的視覺中波粒二象性寓于一體又不同時出現(xiàn)柱子的形狀？光的波粒二象性光在傳播過程中表現(xiàn)出波動性，如干涉、衍射、偏振現(xiàn)象。光在與物質(zhì)發(fā)生作用時表現(xiàn)出粒子性，如光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)。光子能量和動量為上兩式左邊是描寫粒子性的E、P；右邊是描寫波動性的、。h將光的粒子性與波動性聯(lián)系起來。

關(guān)于光的本性問題，我們不應(yīng)該在微粒說和波動說之間進行取舍，而應(yīng)該把它們看作是光的本性的兩種不同側(cè)面的描述。光的波粒二象性的和諧統(tǒng)一宏觀體系中:波動性微觀體系中:粒子性

波動性和粒子性在反映同一事物(如光)的兩個方面得到了和諧統(tǒng)一。光的波動觀點:空間P點的光強I與P點處合振動振幅A的平方成正比,即I

A2光子的觀點:空間P點的光強I與P點處單位體積內(nèi)光子數(shù)n成正比,即In綜上所述:空間P點處單位體積內(nèi)光子數(shù)n

A2例:單縫衍射中,光子到達縫時,有沿各個方向運動的可能性,在屏上光子出現(xiàn)的概率分布具有波動的特征;2.基本關(guān)系式應(yīng)用:光電管,光電倍增管光子的靜止質(zhì)量為零(m0=0)粒子性波動性＋－光電倍增管受到轟擊后釋放出電子光照微觀粒子的波粒二象性德布羅意物質(zhì)波的假設(shè)1.物質(zhì)波的引入

1923年，德布羅意第一次提出了實物粒子具有波動性觀點。實物粒子：靜止質(zhì)量不為零的微觀粒子。實物粒子和光子一樣，也具有波粒二象性。如果用能量E和動量p來表征實物粒子的粒子性，則可用頻率和波長來表示實物粒子的波動性。光(波)具有粒子性，那么實物粒子具有波動性嗎?實物粒子的波稱為德布羅意波或物質(zhì)波，物質(zhì)波的波長稱為德布羅意波長。2.德布羅意公式德布羅意把愛因斯坦對光的波粒二象性描述應(yīng)用到實物粒子動量為p的粒子波長：頻率與能量關(guān)系：德布羅意公式物質(zhì)波的概念可以成功地解釋原子中令人困惑的軌道量子化條件。波長(a)HydrogenspectrainVisible&UVregions.(b)Hydrogenspectralseriesonalogarithmicscale.紅藍紫6562.8?4340.5?4861.3?可見光氫原子光譜的規(guī)律(Theruleofspectrumofhydrogenatom)1.巴爾末系(Balmerseries)(可見光區(qū)域),1885年提出n=時,B=3645.7?n=3,4,5...HHHH6562.3?4861.3?4340.5?4101.7?n=3645.7?或波長的倒數(shù)(稱為波數(shù)):巴爾末公式揭露了譜線的波長是整數(shù)的函數(shù)2.里德伯公式(Rydbergformula),1889年提出2345612345kn光譜系區(qū)域日期賴曼（Lyman）系巴爾末（Balmer）系帕邢（Paschen）系布喇開（Brackett）系普芳德（Pfund）系紫外可見紅外紅外紅外1914年1885年1908年1922年1924年n>k經(jīng)典理論無法解釋氫原子光譜按1911年盧瑟福提出的核式原子模型:電子繞原子核(10-12m)高速旋轉(zhuǎn)。由經(jīng)典物理可得出如下結(jié)論:1)氫原子是“短命”的,即盧瑟福核型結(jié)構(gòu)不是穩(wěn)定的系統(tǒng)+電子繞核運動是加速運動必向外輻射電磁波,電磁波頻率r-3/2,半徑的連續(xù)變化,必導(dǎo)致產(chǎn)生連續(xù)光譜。隨著能量的減少,電子轉(zhuǎn)動半徑也相應(yīng)減小,直到落在原子核上。這個過程時間<10-12秒。因此不可能有穩(wěn)定的氫原子存在。2)氫原子光譜是連續(xù)光譜原子模型1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子1903年，西瓜模型（蛋糕模型）1911年，盧瑟福核式結(jié)構(gòu)（行星模型）1909年，α粒子的大角散射原子坍縮？玻爾氫原子理論(Bohr’stheoryofhydrogenatom)1.穩(wěn)定態(tài)(簡稱定態(tài))假設(shè):

2.躍遷假設(shè):頻率公式En(躍遷前)Ek(躍遷后)En>Ek

(輻射光子):En<Ek(吸收光子):一、玻爾的3個基本假設(shè)(1913年提出)氫原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài),即E1,E2,E3(E1<E2<E3<)EnEkEkEn玻爾(BohrN.H.D.,1885-1962)丹麥物理學(xué)家3.軌道角動量L的量子化假設(shè):n=1,2,3,…正整數(shù),稱為量子數(shù)簡約普朗克恒量二、玻爾氫原子理論解釋了氫原子光譜1.電子繞核轉(zhuǎn)動的軌道半徑(r),軌道量子化n=1r1=0.529?玻爾半徑rn=n2r1

n=1,2,3,….(1)(2)n=1,2,3,….解得:2.定態(tài)能量(氫原子能量),能量量子化n=1,2,3,….n=1基態(tài)能量n>1,受激態(tài)E0

電離態(tài)將一個氫原子電離至少應(yīng)提供能量:電離能(吸收)結(jié)合能(釋放)巴爾末系(可見光)與實驗數(shù)據(jù)吻合得很好！賴曼系(紫外)當n時rn,En0E0連續(xù)區(qū)3.從玻爾假設(shè)導(dǎo)出里德伯公式激發(fā)喇曼系激發(fā)巴爾末系激發(fā)帕邢系玻爾的1913年的創(chuàng)造性工作對量子力學(xué)的建立有著深遠的影響。1914年，弗蘭克和赫茲用實驗證實了原子中能級的存在而獲1925年諾貝爾獎。玻爾獲1922年諾貝爾獎。玻爾理論的缺陷玻爾理論仍然以經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，定態(tài)假設(shè)又和經(jīng)典理論相抵觸?！窳孔踊瘲l件的引進沒有適當?shù)睦碚摻忉尅！駥ψV線的強度、寬度、偏振等無法處理?！癫柪碚摴Σ豢蓻]，它是近代物理發(fā)展史上的一個重要里程碑。實物粒子的波動性

(Wavenatureofparticle)德布羅意波(DeBrogliewave)德布羅意波的實驗驗證(ValidityofDeBrogliewave)概率波(probabilitywave)德布羅意波(DeBrogliewave)德布羅意假設(shè)(1924年):與粒子相聯(lián)系的波稱為物質(zhì)波(matterwave)或德布羅意波(DeBrogliewave)德布羅意(DeBroglieP.L.V.,1892-1986)法國物理學(xué)家宏觀體系中:粒子性微觀體系中:波動性

實物粒子(靜止質(zhì)量≠0)具有波粒二象性德布羅意關(guān)系:1.電子束在鎳晶體表面上的散射實驗(戴維孫C.J.Davisson和革末L.A.Germer1927年)德布羅意波的實驗驗證(ValidityofDeBrogliewave)IUG熱陰極鎳晶體集電器I加速電壓電流計電子束假設(shè)固定不變2.電子通過金多晶薄膜的衍射實驗

(小湯姆遜1927年)3.電子的衍射實驗(約恩遜1961年)電子束多晶薄膜衍射圖樣電子雙縫實驗德布羅意波到底是什么樣子的波？概率波(probabilitywave)德布羅意波是概率波玻恩解釋電子衍射現(xiàn)象時,認為實物粒子(電子)在空間各點出現(xiàn)的概率按波動的規(guī)律分布。對微觀粒子再也不能像牛頓力學(xué)中那樣對粒子運動作出確定性的預(yù)言,只能確定出它出現(xiàn)的概率。電子具有波動性,象X射線衍射一樣,電子的波長滿足布喇格方程時,出現(xiàn)極大根據(jù)德布羅意關(guān)系: 代入布喇格方程得改變k值求出U值,與實驗比較,發(fā)現(xiàn)與I取極大值時的U相符,證明電子象X射線一樣具有波動性,同時證明了德布羅意關(guān)系的正確性。Ik=5k=4k=3k=2k=1波函數(shù)薛定諤方程在近代物理發(fā)展史上，對量子力學(xué)發(fā)展起重大影響的三類實驗：1，證實光量子的實驗：黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓散射2，證實原子中量子態(tài)的實驗：光譜、弗蘭克—赫茲實驗3，證實物質(zhì)波性的實驗：電子在晶體中的衍射實驗一、波函數(shù)及其統(tǒng)計解釋（概率波或幾率波）1、一切微觀粒子都具有波粒二象性。2、薛定諤提出描寫微觀粒子運動狀態(tài)的物質(zhì)波波函數(shù)：德布羅意波或薛定諤方程中的波函數(shù)所描述的，并不像經(jīng)典波那樣代表實在的物理量的波動，而是刻畫粒子在空間的概率分布的概率波。3，玻恩1926年提出：概率（幾率）為：的物理意義：表示粒子在t時刻時，在空間處，單位體積內(nèi)出現(xiàn)的幾率。波函數(shù)應(yīng)具有如下性質(zhì)：1，標準化條件：2，歸一化條件：單值、有限、連續(xù)。玻恩量子理論的發(fā)展

1926年玻恩對波函數(shù)的統(tǒng)計詮釋，使量子力學(xué)得以詮釋，量子力學(xué)的內(nèi)部規(guī)律得以自恰。因此于1954年獲諾貝爾獎。

1928年狄拉克提出了電子的相對論運動方程—狄拉克方程，奠定了相對論性量子力學(xué)的基礎(chǔ)，狄拉克因廣泛地發(fā)展了量子力學(xué)與薛定諤同獲1933年諾貝爾獎。以量子力學(xué)和相對論力學(xué)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的量子場論，是研究粒子和場之間相互作用和相互轉(zhuǎn)化的量子規(guī)律。薛定諤推廣了德布羅意物質(zhì)波的概念，于1926年提出了波動力學(xué)，并建立了一個量子體系的物質(zhì)波運動方程。不確定關(guān)系(Uncertaintyrelation)經(jīng)典理論中的粒子的特性:在任何時刻,粒子有確定的位置、動量、能量、角動量等。實際中的微觀粒子的特性:波-粒二象性。海森堡(HeisenbergW.K.,1901-1976)微觀粒子的位置、動量、能量、角動量等具有不確定性。量子理論創(chuàng)始人之一德國物理學(xué)家海森堡(1927年)推出微觀粒子位置與動量的不確定關(guān)系:不確定關(guān)系波動性使微觀粒子沒有確定的軌道，即坐標和動量不能同時取確定值，存在一個不確定關(guān)系。1927年，海森伯（W.Heisenberg）提出：1932年獲諾貝爾獎.分析角動量的空間量子化,對1s態(tài)原子:n=1,l=0,ml=0應(yīng)該是一束,故分裂不是角動量空間量子化帶來的。1925年,兩位荷蘭學(xué)者烏倫貝克(G.E.Uhlenbeck)和哥德斯密特(S.A.Goudsmit)提出:電子自旋假說。(12)電子的自旋(Electronspin)一、施特恩(O.Stern)-格拉赫(W.Gerlach)實驗(1921)一束1s態(tài)原子射線(銀或氫)通過無外磁場時為一束,而通過非均勻磁場時分為二束。SN原子射線源狹縫非均勻磁場底片由自旋產(chǎn)生的磁矩稱為自旋磁矩由自旋產(chǎn)生的角動量為其方向與磁矩方向相反。1925年，烏侖貝克(G.E.Uhlenbeck)和古茲密特(S.A.Goudsmit)提出電子自旋假說。把電子繞自身軸線的轉(zhuǎn)動稱為自旋。2.電子的自旋S電子的自旋二、四個量子數(shù)描述電子的運動狀態(tài)需要一組量子數(shù)（n，l，ml，ms）主量子數(shù)n=1,2,3,……決定能量的主要因素；軌道量子數(shù)l=0,1,2…(n-1)，對能量有一定影響；磁量子數(shù)，引起磁場中的能級分裂；自旋磁量子數(shù)，產(chǎn)生能級精細結(jié)構(gòu)。

1993年克羅米等人，用掃描隧道顯微鏡發(fā)現(xiàn)了量子圍欄（48個Fe原子）中的駐波，再次直觀地證實了電子的波動性，支持了薛定諤波動力學(xué)。原子級高分辨率xy方向0.2nmz方向0.005nm通過探測隧道電流來分辨樣品的表面特征掃描隧道顯微鏡STM賓尼西、羅雷爾（1982年）1986年獲諾貝爾獎硅表面硅原子的排列砷化鎵表面砷原子的排列碘原子在鉑晶體上的吸附納米科學(xué)技術(shù)應(yīng)用實例通過移走原子構(gòu)成的圖形激光(Laser)普通光源——自發(fā)輻射激光光源——受激輻射引言激光又名鐳射(Laser)—

受激輻射的光放大(Light

AmplificationbyStimulated

Emissionof

Radiation)20世紀四大發(fā)明:①半導(dǎo)體;②計算機;③原子能;④激光自1960年美國人梅曼制造出第一臺激光器以后,激光已得到了極廣泛的應(yīng)用,如激光開刀,可自動止血;全息激光照片可以假亂真;還有光纜信息傳輸,熱核反應(yīng)的引發(fā)等。(22)1960年Nature梅曼和他的第一臺紅寶石激光器1961年中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所，中國第一臺紅寶石激光器研制者王之江院士及激光器問題:激光是怎樣產(chǎn)生的？它有哪些特點？為什么有這些特點呢？下面將通過氦氖激光器加以說明。電源布儒斯特窗He,Ne100反射M199反射1透射M2激光He-Ne激光器中He是輔助物質(zhì),Ne是激活物質(zhì),He與Ne之比為5:110:1(23)玻爾公式光的共振吸收

激光原理一、兩能級原子與光的相互作用1．自發(fā)輻射和受激（共振）輻射為了解釋原子與光譜是線光譜的事實，玻爾假定一個原子只能處于若干不連續(xù)的分立的能量狀態(tài)，稱為定態(tài)。2．原子退激所放光子能量或共振吸收的光子能量為這就是玻爾公式。二能級系統(tǒng)二、愛因斯坦關(guān)于受激輻射的預(yù)言和激光的發(fā)明1．1917年，愛因斯坦為了導(dǎo)出普朗克黑體輻射公式，首先預(yù)言了“受激輻射”過程。誘發(fā)光子的能量吸收前吸收后受激輻射前受激輻射受激吸收過程受激輻射過程2．受激輻射光的特征所放出的兩個光子有同樣的頻率，同樣的偏振方向和同樣的相位。顯然是實現(xiàn)了光的放大，有很好的應(yīng)用前景。其實不然,在正常情況下,在高能級上的原子數(shù)總比在低能級上的原子數(shù)小得多。愛因斯坦指出原子受激輻射和吸收的概率是相同的。因此,光子入射到材料中,主要的還是被吸收而不可能發(fā)生光放大的現(xiàn)象。問題:是否有一個適當?shù)墓庾尤肷涞浇o定的材料內(nèi)就可以很容易地得到激光呢?E3