量子物理前言早期量子論

量子物理前言早期量子論第1頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

前言在20世紀(jì)初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是狹義相對論（1905年）、廣義相對論（1916年）和量子力學(xué)（1925年）。

--楊振寧第2頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

經(jīng)典物理（18－19

世紀(jì)）

牛頓力學(xué)熱力學(xué)經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)經(jīng)典電磁理論

19世紀(jì)末趨于完善

從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)的理論遇到了困難——無法解釋一系列重大的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。開爾文：大廈基本建成···兩朵烏云

M－M實(shí)驗(yàn)黑體輻射

相對論量子論量子力學(xué)第3頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月近代物理（20世紀(jì)）

A舊量子論的形成（沖破經(jīng)典－量子假說）

1900Planck

振子能量量子化普朗克為了解決經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難，引入了能量子的概念，為量子理論奠定了基礎(chǔ)。第4頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月Einstein

電磁輻射能量量子化

愛因斯坦針對光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)與經(jīng)典理論的矛盾，提出了光量子的假說，為量子理論的進(jìn)一步發(fā)展打開了局面。1913

N.Bohr

原子能量量子化

玻爾在盧瑟福原子有核模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用量子化的概念解釋了氫原子光譜，從而使前期量子論取得了很大的成功。第5頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月B、量子力學(xué)的建立（嶄新概念）

1923deBroglie

電子具有波動性

1926-27Davisson,G.P.Thomson

電子衍射實(shí)驗(yàn)

1925Heisenberg

矩陣力學(xué)

1926Schroedinger

波動方程

1928Dirac

相對論波動方程第6頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一、熱輻射及其特點(diǎn)任何物體在任何溫度下都會由于分子熱運(yùn)動而導(dǎo)致物體輻射電磁波溫度不同時輻射的波長分布不同

例如：鐵塊溫度

從…暗紅到橙色到黃白色這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射

---熱能轉(zhuǎn)化為電磁能的過程§1黑體輻射和普朗克的能量子假說第1章早期量子理論第7頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月鐵塊溫度升高時顏色的變化逐漸升溫第8頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼水第9頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二、平衡熱輻射加熱一物體物體的溫度恒定時物體所吸收的能量等于在同一時間內(nèi)輻射的能量這時得到的輻射稱為平衡熱輻射討論

平衡熱輻射的規(guī)律

第10頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三、黑體輻射

1.研究熱輻射的理想模型--黑體

黑體：可吸收全部到達(dá)它表面的電磁輻射

1859年基耳霍夫證明：平衡態(tài)時黑體輻射只依賴于物體的溫度與構(gòu)成黑體的材料形狀無關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論均證明：在各種材料中黑體的光譜輻射度最大

黑體是吸收（輻射）能力最強(qiáng)的物體。

第11頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月維恩設(shè)計的黑體不透明介質(zhì)空腔開一小孔，小孔表面是黑體。煉鋼爐上的小洞向遠(yuǎn)處觀察窗子第12頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月b=2.897756×10-3m·K2.黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律1)實(shí)驗(yàn)規(guī)律一維恩位移定律=5.6710-8W/m2K42)實(shí)驗(yàn)規(guī)律二斯特藩-玻耳茲曼定律單位時間內(nèi)從物體單位表面發(fā)出的波長在附近單位波長間隔內(nèi)的電磁波的能量第13頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難如何從理論上找到符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的函數(shù)式?

為常數(shù)1896年維恩從經(jīng)典熱力學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出1.維恩公式高頻段與實(shí)驗(yàn)符合很好，低頻段明顯偏離。2.瑞利-金斯公式低頻段與實(shí)驗(yàn)符合較好，高頻段出現(xiàn)“災(zāi)難性”偏離1900年從經(jīng)典電動力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)理論推導(dǎo)而得第14頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月/1014HzM(10-9W/(m2Hz))0實(shí)驗(yàn)曲線（1896）（1900）“紫外災(zāi)難”“物理學(xué)晴空中的一朵烏云!”由經(jīng)典理論導(dǎo)出的M(T)～

公式都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符合！第15頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月五、普朗克的能量子假說和黑體輻射公式黑體輻射公式M.Planck

德國人1858－1947

1900年10月，普朗克利用數(shù)學(xué)上的內(nèi)插法，把適用于高頻的維恩公式和適用于低頻的瑞利－金斯公式銜接起來，得到一個半經(jīng)驗(yàn)公式，即普朗克黑體輻射公式：實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家魯本斯（Rubens）把它同實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)：在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人地符合！第16頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

普朗克認(rèn)為：空腔內(nèi)壁（輻射黑體）的分子、原子可以看成是帶電的線性諧振子；這些諧振子振動時向外輻射能量（也可吸收能量）。2.普朗克的能量子假設(shè)普朗克能量子假設(shè)：諧振子的能量不連續(xù)，只能是最小能量=h的整數(shù)倍：

E=nn=1,2,3...物體發(fā)射或吸收電磁輻射時，交換能量的最小單位是“能量子”即諧振子的能量是量子化的能量子第17頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

在這一假設(shè)基礎(chǔ)上，再運(yùn)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。

能量子的假設(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(dāng)時都覺得難以置信。為了回到經(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。

普朗克的能量子假說打破了“一切自然過程能量都是連續(xù)的”經(jīng)典理論。能量子概念的提出標(biāo)志了量子力學(xué)的誕生，普朗克為此獲得1918年諾貝爾物理學(xué)獎。第18頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月例：設(shè)想一質(zhì)量為m=1g

的小珠子懸掛在一個小輕彈簧下面作振幅A=1mm的諧振動彈簧的勁度系數(shù)k=0.1N/m按量子理論計算此彈簧振子的能級間隔多大？減少一個能量子時振動能量的相對變化是多少？解：彈簧振子的頻率為什么在宏觀世界中觀察不到能量分立的現(xiàn)象?第19頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月能級間隔振子能量相對能量變化現(xiàn)在的技術(shù)條件下所能達(dá)到的最高的能量分辨率為：所以宏觀的能量變化看起來都是連續(xù)的經(jīng)典能量量子第20頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月§2光電效應(yīng)和愛因斯坦的光量子論光電效應(yīng):光照射某些金屬時從金屬表面釋放出電子的效應(yīng)。產(chǎn)生的電子稱為光電子。光電子在電場加速下向陽極運(yùn)動，就形成光電流。VGOOOOOOBOO照射光.KA光電管第21頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)伏安特性曲線IOU光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱Im2Im1加速電壓增大時光電流增大，加速電壓增大到一定值時光電流達(dá)到飽和。1.飽和電流ImUa截止電壓2.截止電壓Ua截止電壓與照射光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。第22頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.紅限頻率CsCaNa4.06.08.010.0UaVn1014Hz4.02.0對于每一種金屬陰極：Ua=K(v－v0)=eK(v－v0)光電子的最大初動能∝,而與入射光強(qiáng)無關(guān)v照

一、光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律1.飽和電流Im2.截止電壓Ua截止電壓與照射光頻率的關(guān)系4.瞬時效應(yīng)

馳豫時間τ≤10-9s

第23頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月二、波動理論所遇到的困難實(shí)驗(yàn)規(guī)律：

1.飽和電流

2.截止電壓

3.紅限頻率

4.瞬時效應(yīng)

經(jīng)典電磁理論：光波的強(qiáng)度(能量)越大，電子吸收的能量越多，越能夠達(dá)到陽極。截至電壓應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)。要打出電子只需克服逸出功。光波的能量分布在波面上，陰極里的電子積累能量克服逸出功需要一段時間，光電效應(yīng)不可能瞬時發(fā)生！第24頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

光量子具有“整體性”光的發(fā)射、傳播、吸收都是量子化的

電磁輻射由以光速運(yùn)動的、局限于空間某一小范圍的光量子（光子）組成，頻率為的光的一個光子的能量為

=h1.愛因斯坦光量子假設(shè)（1905年）三、愛因斯坦的光量子論

普朗克假設(shè)只涉及發(fā)射或吸收,未涉及電磁輻射在空間的傳播。是不協(xié)調(diào)的。第25頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.對光電效應(yīng)的解釋

一個光子將全部能量交給一個電子電子用此克服金屬對它的束縛從金屬中逸出A：逸出功愛因斯坦光電效應(yīng)方程當(dāng)＜A/h時不發(fā)生光電效應(yīng)紅限頻率截止電壓或光電子的最大初動能與頻率成正比第26頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月一束光就是一束以速率c運(yùn)動的光子流。單位時間打到單位面積上的粒子總能量即光強(qiáng)光子打出光電子是瞬時發(fā)生的，一次吸收光量子假設(shè)解釋了光電效應(yīng)的全部實(shí)驗(yàn)規(guī)律！在確定的光強(qiáng)下I=Nh

能夠打出的最大電子數(shù)就是N

飽和電流I光子數(shù)N打出光電子多

im

N粒子流密度I=Nh第27頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1916年密立根（R.A.Milikan）做了精確的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了愛因斯坦的光子理論。密立根由于研究基本電荷和光電效應(yīng)，特別是通過著名的油滴實(shí)驗(yàn)，證明電荷有最小單位，獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎1868—1953愛因斯坦由于對光電效應(yīng)的理論解釋和對理論物理學(xué)的貢獻(xiàn)，獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎1879—1955第28頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用光電效應(yīng)可以制成光電管、光電二極管、光電倍增管、光電攝像管、光敏電阻、光電池等光電元器件，它們廣泛應(yīng)用于自動控制和電影、電視及其它等領(lǐng)域。第29頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光子的性質(zhì)能量

質(zhì)量則

光子的靜止質(zhì)量m0=0

動量v

=c有限確定值

第30頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月五、光的波粒二象性1.近代認(rèn)為光具有波粒二象性2.基本關(guān)系式粒子性：能量

動量P

數(shù)量N

波動性：波長頻率振幅E0

一些情況下突出顯示波動性一些情況下突出顯示粒子性式中波矢量第31頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.波動性和粒子性的統(tǒng)一光作為電磁波是彌散在空間而連續(xù)的光作為粒子在空間中是集中而分立的波動性:某處明亮則某處光強(qiáng)大即I

大怎樣統(tǒng)一?光子數(shù)NIE02粒子性:某處明亮則某處光子多即N大第32頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光子在某處出現(xiàn)的概率由光在該處的強(qiáng)度決定I大光子出現(xiàn)概率大I小光子出現(xiàn)概率小統(tǒng)一于概率波理論單縫衍射光子在某處出現(xiàn)的概率和該處光振幅的平方成正比光子數(shù)NIE02第33頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體

光闌X

射線管探測器X

射線譜儀

石墨體(散射物質(zhì))j1922-23年康普頓研究了X射線在石墨上的散射0散射波長康普頓散射§3

康普頓效應(yīng)

第34頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月在散射線中有比入射波長更長的射線>0稱為康普頓散射=0Oj=45Oj=90Oj=135Oj................................................................................o（A）0.7000.750λ波長.......一、實(shí)驗(yàn)規(guī)律散射曲線的特點(diǎn)：1.除原波長0外出現(xiàn)了移向長波方面的新的散射波長

2.新波長

隨散射角的增大而增大3.當(dāng)散射角增大時原波長的譜線強(qiáng)度降低，而新波長的譜線強(qiáng)度升高第35頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月稱為電子的Compton波長只有當(dāng)入射波長0與c可比擬時康普頓效應(yīng)才顯著因此要用X射線才能觀察到波長的偏移只與散射角有關(guān)，實(shí)驗(yàn)規(guī)律是：c=0.0241?=2.4110-3nm（實(shí)驗(yàn)值）第36頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典理論又一次遇到困難經(jīng)典散射理論：當(dāng)波長0的射線入射后使電偶極子受迫振動發(fā)出散射波的波長在各方均是0

康普頓采用了愛因斯坦的光量子假說

成功地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

進(jìn)一步證明了光量子假說的正確性

第37頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

電子功函數(shù)量級幾個eV

二、Compton的解釋

1.物理圖像單個光子與單個電子發(fā)生完全彈性碰撞設(shè)入射光子能量為h0

散射光子能量為h

被碰電子可以看作是自由電子碰前靜止

自由靜止

電子熱運(yùn)動平均能量量級10-2eV

與光子能量10KeV相比都很小第38頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月yex電子靜止yx散射光子反沖電子入射光子碰撞前碰撞后第39頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2.Compton散射公式

康普頓假設(shè):完全彈性碰撞遵守動量守恒定律和能量守恒定律：利用相對論質(zhì)—速關(guān)系和能量與動量關(guān)系得出結(jié)果反沖電子散射光子第40頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月電子的Compton波長波長改變最大實(shí)驗(yàn)值

c=0.0241?=2.4110-3nm反沖電子散射光子第41頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

這是因?yàn)楣庾舆€可與石墨中被原子核束縛

為什么康普頓散射中還有原波長0

呢？光子和整個原子碰撞。

內(nèi)層電子束縛能103~104eV，不能視為自由，而應(yīng)視為與原子是一個整體。所以這相當(dāng)于∵即散射光子波長不變，散射線中還有與原波長∴在彈性碰撞中，入射光子幾乎不損失能量，得很緊的電子發(fā)生碰撞。相同的射線。這種波長不變的散射叫瑞利散射原子序數(shù)愈大的散射體原波長的成分愈多。第42頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月3.康普頓散射實(shí)驗(yàn)的意義

支持了“光量子”概念進(jìn)一步證實(shí)了

首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了愛因斯坦提出的“光量子具有動量”的假設(shè)

證實(shí)了在微觀領(lǐng)域的單個碰撞事件中動量守恒和能量守恒定律仍然成立康普頓獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎P=E/c=h/c=h/=h第43頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1925—1926年吳有訓(xùn)用銀的X射線(0=5.62nm)為入射線，以15種輕重不同的元素為散射物質(zhì)，在同一散射角()測量各種波長的散射光強(qiáng)度，做了大量X射線散射實(shí)驗(yàn)。1923年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的工作對證實(shí)康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)。

吳有訓(xùn)1897—1977物理學(xué)家、教育家、中國科學(xué)院副院長，1928年被葉企孫聘為清華大學(xué)物理系教授，曾任清華大學(xué)物理系主任、理學(xué)院院長。三、吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)第44頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月1.與散射物質(zhì)無關(guān)僅與散射角有關(guān)曲線表明

輕元素重元素2.吳有訓(xùn)的康普頓效應(yīng)散射實(shí)驗(yàn)曲線第45頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制

－外層電子(自由電子)散射

0－內(nèi)層電子(整個原子)散射在康普頓的一本著作“X-Raysintheoryandexperiment”(1935)中19處引用了吳有訓(xùn)的工作。書中兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù)意義:第46頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月光電、康普頓效應(yīng)作業(yè):5----19,21,41,42,43,第47頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

量子理論發(fā)展進(jìn)程中必須提及的貢獻(xiàn)首次把量子思想用到原子結(jié)構(gòu)和原子光譜1.原子的核式(行星)結(jié)構(gòu)

通過大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了盧瑟福的原子核式模型一、實(shí)驗(yàn)事實(shí)2.原子光譜離散的線狀譜§4玻爾的量子假設(shè)

紅藍(lán)紫6562.8?4340.5?4861.3?1)氫原子的可見光光譜：。‥1853年瑞典人埃格斯特朗（A.J.Angstrom）A即由此得來。測得氫可見光光譜的紅線第48頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月2)

氫原子光譜的規(guī)律可見光譜線的巴耳末公式R稱為里德伯常量LymanseriesBalmerseriesPaschenseriesBrackettseriesPufangdeseries紫外區(qū)紅外區(qū)可見區(qū)后在實(shí)驗(yàn)上又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氫光譜的其他線系賴曼系巴耳末系帕邢系布喇開系普芳德系到1885年觀測到的氫原子光譜線已有14條。第49頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月進(jìn)一步總結(jié)光譜規(guī)律得到廣義巴耳末公式LymanseriesBalmerseriesPaschenseriesBrackettseriesPufangdeseries3)光譜項(xiàng)里茲組合原理將氫原子光譜規(guī)律推廣到一般發(fā)光，得：稱為光譜項(xiàng)第50頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)經(jīng)典電磁理論，電子繞核作勻速圓周運(yùn)動，作加速運(yùn)動的電子將不斷向外輻射電磁波,原子的能量不斷減小→+電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率也逐漸改變，發(fā)射的光譜應(yīng)是連續(xù)譜；

最終電子將坍縮到原子核上→原子不穩(wěn)定。+二、經(jīng)典物理的困難第51頁，課件共58頁，創(chuàng)作于2023年2月三、氫原子的玻爾理論1.玻爾的三條假設(shè)以普朗克能量子和愛因斯坦光子概念為基礎(chǔ)1)定態(tài)假設(shè)原子系統(tǒng)只能處在一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)這些狀態(tài)稱為原子系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)簡稱定態(tài)

相應(yīng)能量分別記為

E1,E2,E3,······(E1<E2<E3<······)第