量子物理基礎　課件

第十六章量子物理基礎DNA分子圖像§16-6不確定關系§16-5實物粒子的波動性§16-4玻爾的氫原子理論§16-3原子模型原子光譜§16-2光電效應愛因斯坦的光子假設§16-1絕對黑體的輻射普朗克的量子假設*§16-11激光§16-10多電子原子原子的電子殼層結構§16-9氫原子電子自旋§16-8一維定態(tài)問題§16-7粒子的波函數(shù)薛定諤方程*§16-12晶體的能帶半導體的導電機制

絕對黑體二、絕對黑體的輻射物體吸收的輻射能恰等于發(fā)射的輻射能時，帶小孔的空腔的小孔可視為黑體它的溫度將維持不變，稱為平衡熱輻射輻射能都全部吸收而不反射的物體在任何溫度下對任何入射絕對黑體的單色輻射出射度與l

的關系曲線可見光紅外光紫外光黑體輻射問題的紫外災難經(jīng)典物理結果

單色輻射出射度M0(l,T)

單位時間內(nèi)從物體表間隔內(nèi)的輻射能面單位面積上發(fā)射出來的、波長在

l

附近單位波長l/nm1900年，普朗克提出了能量量子化假設，把三、普朗克量子假設諧振子的能量是最小能量的整數(shù)倍導出黑體輻射的普朗克公式普朗克常量諧振子組成的。頻率為n

的諧振子的最小能量為黑體看成是由能量只能取離散的不連續(xù)值的許多一、光電效應的實驗規(guī)律§16-2

光電效應

愛因斯坦的光子假設光電效應實驗裝置入射光光電流陰極陽極1.單位時間內(nèi)從金屬陰2.入射光的頻率小于金多強都不能產(chǎn)生光電效應屬的紅限頻率時，不論光強成正比極逸出的電子數(shù)與入射光紅限頻率4.從光開始照射到電子從金屬逸出經(jīng)過時間不3.光電子的最大初動能隨入射光頻率線性增加光電流的伏安特性曲線光強高光強低遏止電壓與頻率的關系曲線與入射光的強度無關超過10-9s，且與入射光強度無關光的電磁波說不能解釋光電效應實驗規(guī)律3.不應該存在紅限頻率n0

1.金屬中電子從光波中吸取能量2.光波中電振動使金屬內(nèi)電子作受迫振動這些都與光電效應實驗規(guī)律相背離光電效應不會在瞬間發(fā)生入射光越弱，積累時間越長積累超過逸出功后才能從金屬逸出成光電子而與入射光的頻率無關光越強，光電子的初動能也越大受迫振動平均動能與入射光強成正比愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦的光子假設對光電效應的解釋電子吸收一個光子的能量=電子的最大初動能+逸出功1.入射光強度S與光子數(shù)N成正比2.光電子的最大初動能隨入射光頻率線性增加，與入射光的強度無關子越多產(chǎn)生的光電子越多，則飽和光電流與入射光光強越大，單位時間投射到陰極單位面積的光強成正比并說明了光具有粒子性即（光電效應的紅限頻率）4.電子一次吸收一個光子，不需要任何積累時間愛因斯坦的光子假設圓滿地解釋了光電效應美國物理學家密立根花了近十年時間從實驗上3.對于每一種金屬，因≥0，必須有hn≥W證實了愛因斯坦光電效應方程并算出了普朗克常量例題16-1逸出功為2.21eV的鉀被波長為250nm、解(1)應用愛因斯坦方程，最大初動能為(2)單個光子具有的能量為鉀表面單位面積每秒接受的光子數(shù)即所求電子數(shù)動能，(2)單位面積每秒發(fā)射的最大電子數(shù)。強度為2W/m2的紫外光照射，求(1)發(fā)射電子的最大三、光電效應的應用航天器的太陽能電池板光電控制的路燈系統(tǒng)X-射線管散射光入射光方向光譜儀光譜儀四、康普頓效應散射光中出現(xiàn)波長增大的成分1.在散射角相同的情況下實驗證明：康普頓波長經(jīng)典理論不能解釋康普頓效應使電子作頻率與入射光相同的受迫振動，2.波長的改變量與散射角的關系為波長的改變量與散射物質無關并向各方向輻射同頻率的電磁波按照光的波動理論，當光通過物質時，1.光子與原子中外層電子的碰撞碰前光子電子能量動量0碰后能量動量exy光子exy與實驗非常吻合！能量守恒動量守恒x方向y方向解得因2.光子與原子中內(nèi)層電子的碰撞波長變長散射光來自光子與原子外層電子碰撞光量子理論對康普頓效應的解釋：能量守恒定律和動量守恒定律適用于微觀粒子波長不變的散射光來自光子與整個原子的碰撞（內(nèi)層電子）以上推理過程還說明：湯姆孫測定電子荷質比的陰極射線管1897年湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子1903年，湯姆孫提出的原子模型電子均勻分布的帶正電物質電子在球內(nèi)作簡諧振動§16-3原子模型原子光譜一、原子的有核模型1911年盧瑟福提出的原子的核模型a

粒子實驗存在大角散射a

粒子散射實驗電子原子核盧瑟福的a粒子散射實驗不僅對原子物理的發(fā)展起了很大作用，而且這種研究方法對近代物理一直起著巨大影響，還為材料分析提供了一種手段湯姆孫的原子模型相矛盾1885年瑞士中學教師巴爾末里德伯常量即19世紀后半葉很多科學家都在尋找譜線的規(guī)律發(fā)現(xiàn)了氫原子光譜在可見光部分的規(guī)律后來發(fā)現(xiàn)氫原子的所有光譜線的波長可表示為相同的譜線組成一譜線系，主要有：1.萊曼系紫外光區(qū)正整數(shù)2.巴爾末系可見光區(qū)3.帕邢系4.布拉開系5.普豐德系紅外光區(qū)紅外光區(qū)紅外光區(qū)經(jīng)典電磁理論不能解釋原子光譜的分立性一、玻爾的氫原子理論1.經(jīng)典軌道加定態(tài)條件§16-4玻爾的氫原子理論當原子從能量較高(Ei)的穩(wěn)定狀態(tài)（1913年）色光，其頻率為躍遷到能量較低(Ef)的穩(wěn)定狀態(tài)時，原子發(fā)射出單2.頻率條件統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）輻射電磁波，因而具有恒定的能量，稱為原子系不連續(xù)的運動狀態(tài)，電子繞核作加速運動，但不原子系統(tǒng)具有一系列電子繞核作圓周運動，其角動量為

原子范圍內(nèi)的現(xiàn)象與宏觀范圍內(nèi)的現(xiàn)象根據(jù)對應原理，可以推出角動量量子化條件角動量量子化條件量子數(shù)原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)由如下條件決定：它得到的數(shù)值結果應該與經(jīng)典規(guī)律所得到的一致當把微觀范圍內(nèi)的規(guī)律延伸到經(jīng)典范圍內(nèi)時可以各自遵循本范圍內(nèi)的規(guī)律玻爾的對應原理：1.氫原子中電子的圓軌道半徑二、玻爾理論計算的氫原子穩(wěn)定狀態(tài)+e-emr在半徑為r

的圓軌道上運動時由牛頓第二定律得由角動量量子化條件得原子核對電子的吸引力為電子以速度兩式消去并以rn

代替r，得與量子數(shù)n=1對應的第一玻爾軌道半徑只能取離散的不連續(xù)的值正常情況下電子處于n=1的軌道上+en=1n=2n=3E1E2E3電子的軌道半徑是量子化的氫原子的能量為2.電子在半徑為

rn

的圓軌道上的速度3.電子在半徑為

rn

的圓軌道上的能量電子動能為，勢能電子在量子數(shù)為

n的軌道上運動時氫原子的能量公式

激發(fā)態(tài)

其余的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)

基態(tài)

量子數(shù)

n=1的定態(tài)4.氫原子的能級和能級圖氫原子能量只能取離散的不連續(xù)值這些不連續(xù)的能量稱為能級氫原子的能級圖E/eV萊曼系巴爾末系帕邢系原子從高能級躍遷到低能級時發(fā)出單色光布拉開系普豐德系5.玻爾的氫原子理論對氫原子光譜的解釋氫原子從高能級

ni

躍遷到低能級

nf

時即得則與經(jīng)驗公式結果十分吻合發(fā)出單色光，頻率為并給出了里德伯常量的意義三、玻爾理論的發(fā)展及其缺陷

玻爾理論成功地說明了只有一個電子的氫原子或類氫原子，但對于多電子原子則無能為力。索末菲發(fā)展了玻爾理論玻爾理論獲得夫蘭克-赫茲實驗（1914年）證實證實了原子體系量子態(tài)的存在通過對原子的可控激發(fā)到高能態(tài)很好地解釋了只有一個價電子的復雜原子光譜加上電子自旋假設三個量子化條件和三個量子數(shù)確定它的穩(wěn)定狀態(tài)電子在核的庫侖力作用下繞核運動有三個自由度玻爾和索末菲的理論存在嚴重缺陷和困難3.只能確定光譜線的頻率，不能確定光譜的強度2.對多電子原子的光譜只能作定性解釋1.缺乏完整的理論體系玻爾模型有著一系列難以克服的困難定量計算與實驗不符正是這些困難，迎來了物理學更大的革命！——原子處于穩(wěn)定狀態(tài)時不發(fā)出輻射另一方面又引入與經(jīng)典理論不相容的假設一方面以經(jīng)典理論為基礎一、德布羅意波假設整個世紀以來，在光學上，比起波動的研究方面來，是過于忽視了粒子的研究方面，在物質理論上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢？

德布羅意關系式§16-5實物粒子的波動性以恒定速度運動的粒子的頻率和波長分別為愛因斯坦關系式自由粒子（1924年）并將光的波粒二象性的關系式推廣到實物粒子提出實物粒子也具有波動性的假設德布羅意認為自然界是對稱的

德布羅意波與自由粒子相聯(lián)系的波自由粒子的頻率和波長也都是常量，即與自由粒子相聯(lián)系的德布羅意波是平面波非相對論的自由粒子動量其中質量可認為是靜止質量，為常量由關系式自由粒子速度恒定，因此動量和能量都是常量二、德布羅意假設的實驗驗證1.戴維孫－革末實驗（1927年）入射電子束的能量和散射角可調，當加速電壓為U=54V時，在散射角處，集電器獲得顯著的反射峰值電流集電器電子束鎳單晶體111晶面戴維孫－革末實驗根據(jù)德布羅意公式計算出的波長滿足X射線晶體反射定律：烏利夫-布拉格公式當U=54V時，間距d=9.1nm，當k=1時，給出德布羅意波長由加速電壓U電子獲得動能X射線衍射的烏利夫-布拉格公式對于鎳晶體(111)晶面族2.湯姆孫電子衍射實驗（1927年）鋁薄膜X射線衍射圖樣鋁薄膜電子衍射圖樣金屬箔電子束G.P.湯姆孫（發(fā)現(xiàn)電子的J.J.湯姆孫之子）幾乎同時觀察到電子的德拜衍射環(huán)后來又觀察到中子的衍射現(xiàn)象具有一定速度和一定運動方向的微觀粒子束線一切微觀粒子都具有波動性。實驗表明：產(chǎn)生的衍射圖樣和平面波產(chǎn)生的衍射圖樣相似三、德布羅意用駐波觀點說明角動量量子化電子的德布羅意波長德布羅意：要使繞核運動的電子穩(wěn)定存在，得角動量量子化條件數(shù)倍，即與電子相應的波必須是駐波，則電子繞核回轉一周的周長是德布羅意波長的整一、一維坐標和動量的不確定關系通過狹縫后電子動量改變，出現(xiàn)x方向分量，且§16-6不確定關系平行電子束通過寬度為的單縫時，第一級極小衍射角滿足單縫衍射公式y(tǒng)x電子束因此有x方向動量的不確定量≤≤海森伯不確定關系代入單縫衍射公式，得x方向上坐標與動量不可能同時有確定的數(shù)值考慮到存在次級衍射，則≥由德布羅意關系式，得≥≥表明：推廣至三維空間，有海森伯不確定關系2.在不確定關系中，普朗克常量h是一個關鍵的1.粒子在客觀上不能同時具有確定的坐標位置和二、不確定關系的意義≥≥≥相應的動量，這是粒子具有波粒二象性的反映世界不能得到直接的體現(xiàn)量，它是一個極小的量，因此，不確定關系在宏觀電子雙縫干涉實驗電子槍集電器12強度分布電子雙縫干涉圖像例題16-2玻爾的氫原子第一軌道半徑r1為0.53×10-10m，電子可以在r1的范圍內(nèi)運動，即電子位置的不確定量為r1

，求電子速度的不確定量。由不確定關系可得結果表明，原子中電子運動速度不確定量太大，解Dx=0.53×10-10m顯然原子中電子的運動的研究必須應用量子力學理論例題16-3質量為1g的物體，當測量其重心位置時，不確定量不超過1.0×10-6m，求速度的不確定量。解由宏觀物體的波粒二象性引起的速度的不確定量，用經(jīng)典力學方法處理宏觀物體運動問題已足夠準確了已遠小于可能達到的測量精度之外結果表明：由不確定關系可得自由粒子的德布羅意波是平面波，有一、自由粒子的波函數(shù)頻率為v、波長為l、振幅為a、初相為d的§16-7粒子的波函數(shù)薛定諤方程表示為復數(shù)形式，且令，得沿x軸正向傳播的平面簡諧波的波函數(shù)為因此能量為E、動量為p、沿x軸正向運動的或寫為其中振幅函數(shù)（波函數(shù)）自由粒子的波函數(shù)為二、薛定諤方程將自由粒子的振幅函數(shù)自由粒子的薛定諤振幅方程粒子的動能為Ek，則，得對x

求導得推廣至三維情況得將自由粒子所滿足的方程中作代換Ek=E-

Ep

運動粒子的薛定諤（振幅）方程它的正確性在于它所給出的結果與實驗符合薛定諤方程是量子力學的基本方程得在有勢力場中運動的粒子還有勢能Ep在空間體積元dV中找到粒子的概率表示在整個空間找到粒子的概率等于11.在所考慮的整個空間內(nèi)，函數(shù)必須是單值、有限和連續(xù)的2.為使代表概率密度，波函數(shù)應滿三、波函數(shù)的物理意義波函數(shù)應滿足的條件：與成比例

足歸一化條件表示在空間各處找到自由粒子的概率相同對于自由粒子，波函數(shù)為則概率密度為常數(shù)薛定諤方程的局限性：沒有反映電子的自旋不滿足相對論要求沒有考慮到粒子的產(chǎn)生和湮滅問題高速粒子的運動要用相對論量子力學電子雙縫干涉實驗電子槍集電器電子雙縫干涉圖像控制入射電子束的強度，可以觀察到波函數(shù)所描述的微觀粒子的空間概率分布特性Ep(x)=00<x<a∞x≤0，x≥a在勢阱內(nèi)Ep=0，薛定諤方程為xEp0a金屬表面存在偶電層，使電子在金屬內(nèi)的電勢理想的一維無限深勢阱為§16-8一維定態(tài)問題一、一維無限深勢阱能較低，相當于處于一個勢能深阱中，稱為勢阱令，方程化為方程的通解為又是連續(xù)的，則有邊界條件由，得C2=0，即由于在勢阱外找到粒子的概率為零，而波函數(shù)由，得，應有得由歸一化條件決定常數(shù)C1，得得在勢阱內(nèi)坐標x處找到粒子的概率為粒子的能級：粒子的能量只能取分立的不連續(xù)的值即能量是量子化的，相鄰兩能級的間隔為在寬度為a=10-10m的勢阱中表明電子能級間隔已達到可測量范圍電子在寬度為a=1

cm的勢阱中，能級間隔為表明電子能級間隔充分小電子的能級間隔為實際上可將粒子的能量視為連續(xù)變化的頭幾個能級波函數(shù)ψn

概率密度|ψn|2的曲線在一維無限深勢阱中的粒子二、一維勢壘隧道效應

xEpOaV0無論粒子能量大小都有透射和反射入射粒子透射部分反射部分一維勢壘令一維薛定諤方程可寫為在x<0區(qū)域的解在x>a區(qū)域的解入射波反射波無反射波，B3=0在勢壘內(nèi)，0≤x≤a，令一維薛定諤方程可寫為近似解為透射系數(shù)隧道效應電子隧道顯微鏡用掃描隧道顯微鏡獲得的硅晶體表面原子排列的圖像邊長為2.7nm的單位晶胞

10nm×35nm

1982年，賓尼和羅雷爾利用電子的隧道效應，成功研制了掃描隧道顯微鏡試樣支架探針絕緣板z掃描壓電陶瓷材料x-y掃描壓電陶瓷材料密合軌道4nm步進驅動器§16-9氫原子電子自旋氫原子中可認為質子固定不動薛定諤方程為滿足單值、有限和連續(xù)要求的波函數(shù)可表示為一組量子數(shù)(主量子數(shù)n、角量子數(shù)l和磁量子數(shù)ml)電子在原子核電場中與質子距離為r時的電勢能為決定一個波函數(shù)，即電子的一個量子態(tài)量子數(shù)n、l和ml的量子態(tài)能量為角動量為電子的角動量只能取離散的不連續(xù)的值，即角動即角動量在給定方向的分量是量子化的n給定時，l只有n個可能值l給定時，有（2l+1）個可能值量是量子化的。角動量在空間給定方向的投影為例如當l=2時，ml有5個可能值，即角動量的絕對值為在空間有5種可能的取向磁場銀原子源NS玻璃片電子的自旋施特恩-格拉赫實驗（1922年）銀原子的價電子處于s態(tài)電子具有自旋磁矩和自旋角動量1925年倫貝爾和高斯米特提出電子自旋假設無軌道角動量和軌道磁矩自旋角動量數(shù)值為在外磁場方向的投影為自旋量子數(shù)mS只有兩個可能值z§16-10多電子原子原子的電子殼層結構多電子原子中每個電子的量子態(tài)由四個量子1.主量子數(shù)n2.角量子數(shù)l3.磁量子數(shù)ml4.自旋量子數(shù)mS一、多電子原子的量子態(tài)多電子原子中電子的能級與有關角量子數(shù)l主量子數(shù)n數(shù)描述二、泡利不相容原理主量子數(shù)n相同的電子屬于同一殼層殼層：K，L，M，同一殼層中角量子數(shù)l相同的屬于同一支殼層支殼層：s，p，d，f，在一個原子內(nèi)不可能有兩個或更多的電子處在對應于一組量子數(shù)最多只能有一個電子同一狀態(tài)，即具有完全相同的一組量子數(shù)根據(jù)泡利不相容原理，可以算出每一殼層最多主量子數(shù)為n的殼層，l

有n個可能值對應于每個l，ml有（2l+1）個可能值，再考慮殼層：K，L，M，容納的最大電子數(shù)：2，8，18，得可容納多少個電子:到電子自旋，此殼層最大電子數(shù)為三、能量最小原理占據(jù)最低空能級能量最低，原子最穩(wěn)定原子中電子的各能級能量由低到高順序為序填充（有少數(shù)例外）

當原子處于正常狀態(tài)時，每一個電子都盡量

當原子中各電子的能量最小時，整個原子的在泡利不相容原理限制下，電子按照以上順*§16-11激光時，遵從玻耳茲曼分布律，能量Ei上的原子數(shù)為由此可得N2<N1，即表明在熱平衡下在兩能級E1和E2（E2>E1）上原子數(shù)之比為一、原子在各能級上的分布大量同種原子構成的原子系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)絕大多數(shù)原子處于能量最低的能級（基態(tài)）上高能級上的原子數(shù)小于低能級上的原子數(shù)在沒有外界影響的條件下，處于高能級E2上的

t時刻處于激發(fā)態(tài)E2上的原子數(shù)為N2，則dt

時二、自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收1.自發(fā)輻射A21為愛因斯坦自發(fā)輻射系數(shù)發(fā)出的光波是不相干光波

自發(fā)輻射E2E1頻率為的光子原子以一定的概率向低能級E1躍遷，同時發(fā)出一個各原子在自發(fā)輻射過程中間內(nèi)由高能級E2自發(fā)輻射到低能級E1上的原子數(shù)為處于高能級E2上的原子以一定的概率向低能級E1躍

t時刻處于激發(fā)態(tài)E2上的原子數(shù)為N2，則dt

時2.受激輻射受激輻射過程中發(fā)出的光波相位、偏振狀態(tài)、傳播方向相同，是相干光波

受激輻射E2E1B21為愛因斯坦受激輻射系數(shù)，為輻射能密度間內(nèi)由高能級E2自發(fā)輻射到低能級E1上的原子數(shù)為遷，同時發(fā)出一個頻率為的光子在頻率為的入射光子激勵下，

t時刻處于低能級E1上的原子數(shù)為N1，則dt時間內(nèi)受激吸收由低能級E1到高能級E2上的原子數(shù)為

3.受激吸收當頻率為的光子入射時，使處受激吸收E2E1B12為愛因斯坦受激吸收系數(shù)，為輻射能密度躍遷到高能級E2上于低能級E1上的原子以一定的概率吸收入射光子而當系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)時，處于能級E1和E2上可解得4.自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收同時存在利用普朗克黑體輻射公式得的原子數(shù)達到穩(wěn)定分布，即介質中粒子數(shù)反轉（N2>N1）是光放大的必要條件三、激光原理1.粒子數(shù)的反轉與光放大當頻率為的光子入射時，dt時亞穩(wěn)態(tài)E2E1E3基態(tài)激發(fā)態(tài)光激勵694.3nm紅寶石受強光照射，鉻離子被激勵到激發(fā)態(tài)，很快轉移到亞穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)對基態(tài)的粒子數(shù)反轉增的相干光子數(shù)為間內(nèi)由于受激輻射和受激吸收使入射單色光波場凈2.光學諧振腔在諧振腔中只有平行于軸線方向的光線才能來回反射，得到連鎖式放大，形成強大的軸向光束從M2輸出，構成激光振蕩蕩，則要求光腔的長度為半波長的整數(shù)倍，即M2M1M2M1全反射鏡半反射鏡偏離軸線的光逸出腔外輸出平行軸線的光來回反射在諧振腔中必須是駐波才能形成穩(wěn)定的激光振四、激光器氦-氖氣體激光器E'2E1E2基態(tài)碰撞交換放電632.8nmE'1基態(tài)HeNeE'3M1M2高壓直流電源陽極陰極毛細管632.8nmHe、Ne混合氣體激光器的基本結構包含三個部分：（1）工作物質；（2）光學諧振腔；（3）激勵能源五、激光的特性及應用1.良好的相干性He-Ne激光器發(fā)出的632.8nm激光具有不同于普通光的一系列性質：2.良好的單色性He-Ne激光器發(fā)出的激光頻率3.良好的方向性He-Ne激光器發(fā)出的激光束發(fā)4.極高的亮度輸出功率為10mW的He-Ne激光激光相干長度可達幾千米寬度只有0.09Hz散角接近10-6rad器產(chǎn)生的亮度比太陽大幾千倍激光的優(yōu)良特性使它已獲得日益廣泛的應用用氬的蘭綠激光為猴子作視網(wǎng)膜脫落焊接手術激光全息底片再現(xiàn)的物象全息技術如全息技術、干涉計量和測距；又如材料加工，醫(yī)學上的激光手術，農(nóng)業(yè)的種子處理，以及各種軍事應用等一、晶體的能帶6個原子組成的晶體在整個晶體中作共有化運動，原來的簡并能級分裂d0

dE禁帶能帶能帶2s

1s

分立的能級間距減小能級分裂

N個原子組成的晶體，角量子數(shù)為l的能級對應的能帶包含(2l+1)N個能級*§16-12晶體的能帶半導體的導電機制晶體中原子的外層電子在相鄰原子勢場作用下，為許多和原來能級很接近的能級形成能帶自由原子中電子的能級越高，對應的能帶越寬鈉晶體的能帶隨原子間距的變化d0

dE3s

2p

3p

金剛石晶體的能帶隨原子間距的變化d0

dE2p

2s

N3N禁帶二、電子填充能帶的情況逐個填充能帶一般，原子的內(nèi)層能級都被電子填滿，成為滿帶有些能帶相互交疊形成混合能帶交疊后的能帶還可能再分裂為上下兩個能帶也可能不是滿帶價電子引起的能帶（價帶）可能是滿帶當溫度接近0K時，電子由低能級到高能